印刷电路板布局的挑战ーー改善你的开关电源设计

VIC56 · 发表于 2022-6-16 09:58

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开关模式电源(开关电源)似乎简单的路由在您的印刷电路板，但他们呢？本文确定了两个噪声源和提高 EMC 性能的简单修复方法芯片制造商经常试图让设计师和业余爱好者使用现代网络应用程序甚至电源设计软件来实现大多数开关电源变得非常简单。备份的软件是应用说明，建议正确的 PCB 布局为其特定的集成电路。
尽管今天的设计软件通常都很优秀，但问题是大多数应用程序笔记可能是错误的，至少部分是错误的。事实上，一些行业专家指出，他们应该假设错误，直到证明是正确的(1)。
Todd Hubing 博士在 altiumLive 2022上的主题演讲进一步阐述了这一观点，部分内容包括糟糕的转换器布局(视频) ，以及它们如何导致传导和辐射排放的电磁兼容(EMC)故障。
为了更好地理解这个概念，我们可以回顾一下我最近的业余设计，它有这些隐藏的问题。有用吗？当然。它能否通过 EMC 辐射和传导发射？也许吧。
首先，让我们讨论问题出在哪里，然后讨论我在设计中做得不好的地方以及如何纠正它。
一种隐藏的 PCB 布局威胁ーー PCB 耦合与开关电源有关的电磁兼容原则通常要求设计人员在开关电源的布局中密切注意两个耦合因素，如图1所示:

具有高 dv/dt 的电压开关节点

“热电流环路”，它包含子系统中最高的 di/dt

图1。示意图显示降压转换器 di/dt & dv/dt 位置。图像(修改)使用免费的模拟设备在这里起作用的机制和风险是电容(dv/dt)和感应(di/dt)耦合不需要的能量到系统的其他部分，或更糟糕的是，以辐射和传导发射的形式出系统。
印刷电路板设计后期生产评审深入到项目中，我们将研究一个 LM226785A 转换器(图2)的 PCB 布局，Vin 为12 V (未显示) ，Vout 为5 V。这是一个非同步降压转换器，使用 B130L-13-F 肖特基二极管作为其低端开关元件(是的，在你检查之前ーー系统吸收的电压低于该二极管的1A 额定值!).

图2. 非同步 LM22678降压变换器12 V 至5 V 的原理图
最小化电容和电感耦合通常并不复杂，但很容易被忽视，导致排放测试失败和市场延迟。下面，在图3中，我们看到了非同步降压调节器的 TO-263封装的布局，其电压节点(红色轮廓)和热电流环(黄色轮廓)被识别出来。

图3。低侧功率二极管非同步降压稳压器设计
为了清晰起见，电路板上的铜填充物被隐藏了起来。总的来说，这种设计有三个明显的问题:

高的 di/dt 循环比需要的要大得多

没有通道连接 CIN 或 COUT 的 GND 节点(它们被地面浇灌覆盖)

切换节点可以更改

这些设计选择的净效果意味着电流环不能很好地包含，并且由于平面之间缺乏通孔，电流没有一个明确的回到源头的路径。
为了 EMC ー(电)沉默是金应用从 Hubing 博士的讨论中收集到的原则，改进的布局可以在下面的图4中看到。它具有一个优化的电压节点，一个较小的热环和通过访问每个无源元件的第2层参考平面。此外，主 COUT 电容器也相对于原设计旋转了90度，降低了输出轨道噪声的风险。

图4。改进的布局考虑到了耦合机制通过将低侧二极管置于开关管脚和电感之间，可以更好地抑制高 dv/dt 耦合效应产生的潜在串扰噪声。此外，通过减小热环几何形状，可以降低高强磁场耦合的影响。
虽然这些变化很小，但它们不需要额外的板空间或其他子系统的洗牌。然而，通过减少约50% 的电流回路和优化电压节点，无疑提高了系统的一致性。
当你设计符合 CISPR EMC 标准的商业产品时，每一 dBμV 都很重要，设计阶段的一些小变化可能意味着有利可图的发布和错过的市场窗口之间的区别.