0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

基于低EMI DC/DC变换器PCB设计

jf_pJlTbmA9 来源:jf_pJlTbmA9 作者:jf_pJlTbmA9 2023-07-28 15:56 次阅读

低EMI DC/DC变换器PCB设计

概述

由于每个开关电源都会产生宽频带噪声,所以,想要将汽车电路网络DC/DC变换器集成到汽车控制装置中的同时,还能满足汽车OEM的EMC标准,简直是难上加难。

通常,DC/DC变换器和其他高速电路的噪声会通过有效天线路径的连接电缆传播辐射。为了阻断这些潜在辐射路径,就需要在每个电缆连接处过滤掉噪声。因为只有噪声源的磁场和电场没有耦合滤波器件或电缆中时,此种滤波才有效。

在近场环境中,场强的下降与距离平方的倒数成正比(1/d2)。因此,噪声源、滤波器件和连接器之间必须有一个最小距离。

但实际上,通常会根据机械尺寸提前定义好PCB尺寸和电缆连接器的位置。另外,在PCB的某些区域中,最大元器件的高度可能非常有限,还有可能无法双面组装。这时,需仔细布局元器件的位置和PCB走线 - 尤其针对汽车制造等高标准行业。

布局规划

为避免直接将DC/DC变换器中的电场磁场耦合进连接器和电缆,电路请务必尽远离PCB连接点布置(见图1)。

poYBAGTBRyiAINJxAAH5cxeWBbc990.png

图1噪声源离连接器和电缆越远越好

距离或额外的屏蔽能降低电磁兼容滤波器、连接器和电缆的场强。可以考虑用屏蔽代替距离!

最好至少使用4层板、两端贴片的PCB,这样,DC/DC电路和滤波器件就可以放在板子的反面。其中,至少有一层应为全部的GND,以便最大限度地降低噪声源到滤波电路的交叉耦合。

在DC/DC电路必须非常靠近连接器的系统中,一定要在设计早期考虑好有效的屏蔽。散热片有时也可以用于屏蔽。理想情况下,电感、带功率MOSFET的DC/DC IC及其去耦电容都应放在屏蔽层的下方。

PCB布局指南

在降压变换器中,主要场源有:

高di/dt环路(热环路),由两个电源开关和输入电容组成,辐射宽带磁场

功率FET与电感之间的开关节点,带有强电场辐射

电感,辐射电场和磁场

交流磁场通过固体金属区域屏蔽,允许感应涡流。由于其高导电性,所以铜非常有效。PCB中返回固定电位的电位差路径中的任何导体都能有效地屏蔽电场辐射。

任何高di/dt环路都会辐射与环路面积和电流幅度成比例的磁场。将输入电容靠近两个电源开关,并使用低阻抗连接,以最大限度地减小天线环路面积。

为了进一步减少来自该回路的磁场,需要在电源开关处对称放置两组电容。理想情况下,两个回路中的峰值电流为原始值的一半,能将磁场降低至6 dB。而且两个环路的方向相反,可以进一步减少辐射磁场[1]。

在DC/DC电路的下一层中应该有一个完整的GND区域,且间隔需小于100μm。在此铺铜区域中,流过电路元器件和PCB走线的高di/dt电流会产生涡流。涡流与元器件侧的原始电流相反,它们的磁场会抵消原始磁场。如果涡流能够在最近的距离内对元器件侧的高di/dt回路电流进行镜像,则效果最佳。这可以减少来自PCB元器件侧的磁场辐射。在理想情况下(超导、零距离且两个环路完美匹配),辐射将被来自涡流的磁场抵消。

在DC/DC电路的下一层中应该有一个完整的GND区域,且间隔需小于100μm。在此铺铜区域中,流过电路元器件和PCB走线的高di/dt电流会产生涡流。涡流与元器件侧的原始电流相反,它们的磁场会抵消原始磁场。如果涡流能够在最近的距离内对元器件侧的高di/dt回路电流进行镜像,则效果最佳。这可以减少来自PCB元器件侧的磁场辐射。在理想情况下(超导、零距离且两个环路完美匹配),辐射将被来自涡流的磁场抵消。

多层PCB的3D视图说明了这一概念(图 2)。

pYYBAGTBRyqAMtkxAAKcsElny34233.png

图2 3D PCB视图 - 布局是电路的一部分

顶层为输入电容(CIN)、两个功率FET连接VIN区域以及PGND区域(以红色显示),它们通过过孔连接到内层。对于VIN路径,过孔后面的元件必须为电感(例如1μH至2μH的线圈)。来自开关转换的高di/dt电流仅在CIN中流动,并不在PCB上流动。

PGND区域不直接连接到元件侧的任何其他GND,只通过过孔连接到DC/DC模块下的PGND区域(以蓝色显示)。这样可以把高频电流限制在在元件侧,将噪声与“外部世界”分开。PCB至少一层应该全是GND,以提供低阻抗的系统基准。请记住,布局也是电路的一部分。

应在电感下方铺铜吗?

某些PCB布局会预设置不得在电感核心下方铺铜。对于这个问题观点不一,有的认为完全不能铺铜,而有的则觉得可以在PCB元件侧线圈正下方铺铜。

poYBAGTBRyyAGw6IAAJxVmDxK7A935.png

图 3线圈下没有铺铜的4层PCB

图 3显示了线圈周围的磁场图,在4层PCB的任何层中线圈下方都没有铺铜。来自线圈的强磁场线出现在PCB的底部以及靠近PCB的地方,并耦合到任何连接的线径中。PCB上的滤波器组件被空气旁路。这使得满足汽车OEM EMC目标实施起来非常困难,几乎不可能。

图 4显示的PCB布局中,铜直接位于元件侧的线圈下方。

pYYBAGTBRy6AZ5OwAAHb_0x34zI693.png

图 4PCB线圈下方铺铜的影响

这为涡流提供了一个区域,可以用于消除已经产生的PCB外部磁场。内层2和底层是干净的。EMC滤波器组件可以有效地放置在底部。涡电流的磁场稍微降低了线圈的有效电感(通常小于5%)。涡流还会在GND铜中产生一些损耗。直接在电感核心下面铺铜的另一个缺点是增加了绕组到GND的寄生电容。然而,在大多数设计中,由于电容非常低,这个影响并不大。

责任编辑:彭菁

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 连接器
    +关注

    关注

    96

    文章

    12495

    浏览量

    133000
  • DC变换器
    +关注

    关注

    0

    文章

    47

    浏览量

    19171
  • PCB设计
    +关注

    关注

    392

    文章

    4565

    浏览量

    83111
收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    #硬声创作季 闭环降压变换器是如何工作的DC-DC变换器--动画演示

    变换器DC变换器DC-DCDC-降压行业资讯
    Mr_haohao
    发布于 :2022年10月19日 17:39:39

    隔离式DC/DC变换器的电磁兼容设计

    摘要:文章详细分析了隔离式DC/DC 变换器产生电磁噪声干扰的机理,提出了在DC/DC 变换器
    发表于 10-12 16:57

    选择最佳DC/DC变换器的要点及途径

    电压、低噪声、高功能集成度、足够的输出电压调节能力、安装成本。  1. 工作效率  ①电感式DC/DC变换器:电池供电的电感式DC/
    发表于 06-05 15:15

    5W-DC/DC变换器电路推荐?

    请问大家有没有输入4.5-18V输出5V,Pout为5W的DC/DC变换器,要求高效率输出纹波的方案???
    发表于 05-23 22:18

    DC-DC变换器

    请问各位大神,目前单台DC-DC变换器能做到多大功率?限制功率的因素有哪些?
    发表于 12-28 09:27

    选择最佳DC/DC变换器的要点及途径

    的参数来衡量,它们包括:高效率、小的安装尺寸、小的静态电流、较小的工作电压、低噪声、高功能集成度、足够的输出电压调节能力、安装成本。  1. 工作效率  ①电感式DC/DC变换器:电
    发表于 09-28 16:03

    EMI噪声升压变换器概述!

    直接拿手机内置电池给NFC模块供电,那么NFC模块的性能会随着电池电量的减少而越来越差, 大大影响了用户体验。如果将电池电压通过一个DC-DC升压变换器转换到一个固定的电压(5V或 5.2V)给NFC
    发表于 08-23 04:45

    最佳的开关式DC/DC变换器

    DC/DC转换是利用MOSFET开关闭合时在电感中储能,并产生电流。当开关断开时,贮存的电感能量通过二极管输出给负载。如下图所示。所示
    发表于 11-16 07:54

    DC-DC变换器的基本电路

    DC-DC是英语直流变直流的缩写,所以DC-DC电路是某直流电源转变为不同电压值的电路。DC-DC变换器的基本电路有升压变换器、降压
    发表于 11-17 06:37

    DC-DC变换器的应用

    前言DC-DC变换器的应用场景为:移动电子设备供电。其中包括,DC/DC开关电源与LDO线性电源。高兴LED电源。功率优化。如功率跟踪
    发表于 11-17 06:54

    DC-DC升压变换器的相关资料分享

    ℃~+75℃● 阻燃封装,满足UL94-V0 要求● 温度特性好● 可直接焊在PCB 上产品应用GRB系列模块电源是一种DC-DC升压变换器。该模块电源的输入电压分为:4.5...
    发表于 12-31 06:02

    小功率DC/DC变换器设计

    本科毕业要设计什么样的小功率DC/DC变换器才能过关啊,一u没有大佬指点一下
    发表于 04-04 21:23

    电池驱动系统的DC-DC变换器选择

      电池驱动系统的设计方面,DC-DC变换器的选择至关重要。最合适的DC-DC变换器才能满足电池分布式并网发电系统的需求。  隔离电压型DC-DC
    发表于 03-03 11:32

    EMI DC/DC变换器PCB设计

    EMI DC/DC变换器PCB设计
    的头像 发表于 02-04 15:26 3859次阅读

    EMI DC/DC变换器PCB设计

    关注、星标公众号,不错过精彩内容转自:电子森林由于每个开关电源都会产生宽频带噪声,所以,想要将汽车电路板网络中DC/DC变换器集成到汽车控制装置中的同时,还能满足汽车OE...
    发表于 11-09 16:06 13次下载
    低<b class='flag-5'>EMI</b> <b class='flag-5'>DC</b>/<b class='flag-5'>DC</b><b class='flag-5'>变换器</b><b class='flag-5'>PCB设计</b>