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正确的电路板布板降低开关模式转换器的EMI
来源:《Maxim公司》 作者: 2007/1/26 0:00:00 人气:1034
内容导读:

在该降压转换器原理图中,互补驱动信号控制开关晶体管q1和q2,使其工作在开关状态下,以达到较高的效率。

在图1b中,开关节点电压vlx以及晶体管电流i1和i2为方波,具有高频分量。电感电流i3是三角波,也是可能的噪声源。这些波形能够实现较高的效率,但是从emi的角度看,却存在很大问题。

 

 


图1b. 降压转换器的电流和电压波形。开关晶体管电流i1和和i2,以及开关节点电压vlx接近方波,是可能的emi辐射源。

一个理想的转换器不会产生外部电磁场,只在输入端吸收直流电流。开关动作限制在转换器模块内部。电路设计人员和布板工程师应负责保证达到这一目标:

lx节点产生电场辐射,所有其他节点的电压保持不变。缩小节点面积,并在邻近设置地平面可以直接限制该电场(电场会被该平面吸收)。但是也不能太近,否则会增加杂散电容,降低效率,导致lx电压振铃。节点太小产生串联阻抗,也应避免这种情况。

i1到i3产生磁场辐射。每一电流环路pcb布板的杂散电感决定了场强。电路环路之间的非金属区域应尽可能的小,而走线宽度应尽可能大,以达到最低磁场强度。电感(l)本身应有良好的磁场限制能力,这由电感结构决定,而不取决于pcb布板问题。

图1a.

传导emi是导致失败的主要原因。电容cin和cout无法为开关电流i1和i3提供低阻时,将产生该问题。这些电流流至上游和下游电路。阻抗包括电容本身(含杂散电容)以及pcb的杂散阻抗。pcb杂散电感决定了阻抗,应尽量减小该电感,这同时也降低了磁场辐射。开关转换器内部应避免出现过孔,这是因为过孔的感应系数较大。可以在顶层/元件层为电源的快速电流建立局部平面来解决这一问题。smt元件可直接连接在这些平面上。通路必须宽而且短以降低电感。过孔用于连接本地平面和电源以外的系统平面。其杂散电感有助于将快速电流限制在顶层。可以在电感周围加入过孔,降低其阻抗效应。产生传导emi的另一原因来自地平面,快速开关电流引起电压尖峰。开关电流必须与外部电路共用任一通路,包括地平面。其解决方法还是在转换器边界内部的顶层设置一个局部电源地平面,在一点连接至系统地平面,这一点通常是在输出电容处。

其他元件包括控制器ic、偏置和反馈/补偿元件等,这些都是低电平信号源。为避免串扰,这些元件应与功率元件分开放置,以控制器ic隔断它们。一种方法是将功率元件放置在控制器的一侧,低电平信号元件放置在另一侧。控制器ic的门驱动输出以开关频率吸收和源出大电流尖峰,应减小ic和开关晶体管之间的距离。反馈和补偿引脚等大阻抗节点应尽量小,与功率元件保持较远的距离,特别是在开关节点lx上。直流-直流控制器ic一般具有两个地引脚gnd和pgnd。方法是将低电平信号地与电源地分离。当然,还要为低电平信号设置另一模拟地平面,不用设在顶层,可以使用过孔。模拟地和电源地应只在一点连接,一般是在pgnd引脚。在极端情况(大电流)下,可以采用一个纯单点地,在输出电容处连接局部地、电源地和系统地平面。

以下布板指南总结了上面的讨论(较好的数据手册中也会有相似的pcb指南):


功率元件布局布线。开始先放置开关晶体管q1和q2、电感l和输入输出电容cin和cout。这些元件尽可能的靠近放置,特别是q2、cin和cout的地连接,以及cin和q1的连接。然后,为电源地、输入、输出和lx节点设置顶层连接,采用短而宽的走线连接至顶层。

低电平信号元件布局布线。控制器ic应靠近开关晶体管放置。低电平信号元件放置在控制器的另一侧。应尽量减小大阻抗节点,远离lx节点放置。在适当的层上设置模拟地,在一点连接至电源地。

下面举例说明上面采用的方法。max1954是低成本电流模式pwm控制器ic,适用于消费类以及电信和工业应用。图2所示为max1954评估板原理图,图3所示为电路板布板。它能够提供5a电流。评估板可以从低电压(vin)或者高电压分配总线(vhsd)上选择输入电源。


图2. 大电流降压转换器max1954评估板原理图。请注意不同的地符号。

先找到功率元件:双开关晶体管n1、电感l1、输入电容c3和输出电容c5。c3的位置非常关键;应尽可能近的直接与上面mosfet漏极和下面mosfet源极并联。这样做的目的是消除上面mosfet打开时由于对下面mosfet体二极管恢复充电产生的快速开关峰值电流。这些元件放置在图3中布板的右侧。所有连接都在顶层完成(红色)。右上角的lx节点直接放置在系统地平面的顶层,由顶层vhsd和pgnd节点进一步将其与下面的区域隔离。

低电平信号相关元件放置在布板左侧。max1954控制器引出直接将低电平信号和电源电流分开。低电平信号和电源区之间放置控制器u1。r1和r2的中间点是反馈节点,做的比较小。补偿节点(c7, c8和r3)也做的比较小。为了便于观察,没有画出模拟地,它位于中间层,通过过孔与元件连接。

电源地和低电平模拟地平面在布板中分开,但还是在原理图中以不同的符号表示。顶层电源地、模拟地平面和系统电源地平面在右下角连接在一起。


图3. max1954评估板布板举例说明了布板规则。电路板由四层组成:红色是顶层;蓝色是底层;黑色是系统地平面(中间层);为便于观察,没有画出模拟地平面(中间层)。

由于杂散电感和电容,开关节点将产生能够导致emi的高频(40mhz至100mhz)振铃。可以在每个mosfet上并联一个简单的rc减振器电路,以阻尼高频振铃。为了阻尼vlx上升沿振铃,在下面的mosfet两端并联一个rc减振器。同样的,为阻尼vlx下降沿振铃,在上面的mosfet两端并联一个rc减振器。增加元件意味着增加成本,可根据需要只加入rc减振器。选择合适的rc减振器电路不会对效率造成太大的影响,这是因为杂散能量也会在电路中释放掉,只是时间长一些。

注释
1交换输入和输出电压后,该指南可直接应用于升压转换器。

 
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