使用電源模塊簡化低EMI設計

　　圖6中曲線圖的紅線表示不良布局的EMI輻射。藍線表示采用相同EVM的良好布局的EMI輻射。修改一個環(huán)路面積會產(chǎn)生巨大的影響。LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射水平可降低20 dBμV/m以上。

　　圖7.不同類型電源模塊的內(nèi)部組成。在這兩種情況下，電感器均位于IC晶片的頂部。

　　因此，在采用降壓轉(zhuǎn)換器或降壓電源模塊進行設計時，如何放置輸入電容器應該是首要考慮因素之一。電源模塊還具有以下優(yōu)點：電感器和IC之間的關鍵環(huán)路面積已經(jīng)過優(yōu)化。電感器在封裝內(nèi)部與集成電路連接(見圖7)。這種放置方式會在封裝內(nèi)部形成一個較小的環(huán)路區(qū)域。因此，不必將噪聲開關節(jié)點布線在印刷電路板上。

　　電源模塊中屏蔽了其中的大多數(shù)電感器，以防止來自線圈的電磁輻射。在非常靠近電感器的地方會發(fā)生高電流電壓轉(zhuǎn)換，并且開關節(jié)點的一部分電磁場受到屏蔽，電感器位于引線框架的頂部(見圖7)。

　　快速的電壓和電流瞬變

　　快速瞬變會導致開關節(jié)點發(fā)生振鈴，從而產(chǎn)生EMI。在某些情況下，轉(zhuǎn)換器可連接至啟動引腳。將一個電阻器與啟動電容器串聯(lián)放置會增加上升時間(dt)，在降低EMI的同時損失了效率。

　　圖8.將啟動電阻器添加到LMR23630轉(zhuǎn)換器開關節(jié)點的影響。EMI輻射較低，但由于開關損耗較高，因此效率有所降低。

　　圖8顯示了LMR23630 EVM的EMI輻射掃描。對布局進行更改后，將輸入電容器放在距引腳約2.5厘米遠的位置，以模擬不良布局，并展示啟動電容器的放置將如何影響EMI特性。在設計中多放一個啟動電容器可能比完全改變布局更容易。建議您在設計時始終將啟動電容器考慮進去，以備不時之需。如果沒有，您可以使用0Ω電阻器來減少PCB上的空間。

　　將啟動電阻器與啟動電容器串聯(lián)可以降低EMI頻譜。某些頻率范圍中的發(fā)射會降低達6dB。圖8還顯示了效率平衡情況。使用30.1Ω的電阻器縮短上升時間dt，從而將效率降低1%以上。

　　看一下功率損耗就更能說明這一點。滿載(3A)的功率損耗從1.9W增加到2.1W。功率損耗超過10%時,可能會導致散熱問題。

　　在開關節(jié)點引腳和接地引腳之間放置一個小型肖特基二極管可以降低反向恢復電流，從而降低同步轉(zhuǎn)換器中的開關節(jié)點電流振鈴dI，但這樣會提高物料清單(BOM)成本。或者，您可以添加一個緩沖網(wǎng)絡，其中包含一個位于開關節(jié)點與接地之間的額外的大封裝電容和電阻。緩沖器可消耗開關節(jié)點振鈴的能量，但需要知道附加組件的振鈴頻率和正確計算。這種方法同樣會降低開關電源的效率。

　　電流路徑中的寄生電感和電容

　　對于同步降壓轉(zhuǎn)換器，每個IC架構會產(chǎn)生不同強度的噪聲，表現(xiàn)為EMI輻射。但很難從數(shù)據(jù)表中找到這一項。大多數(shù)數(shù)據(jù)表都沒有提供EMI圖，因為PCB布局、BOM組件和其他因素會對EMI特性產(chǎn)生影響。幸運的話，EVM用戶指南會提供此特定設計的EMI特性圖。但如果您的設計與EVM的布局和BOM不匹配，您所設計的應用的EMI特性可能會有很大差異。電源模塊簡化了布局，實現(xiàn)了快速簡便的設計，因為您只需要考慮一些經(jīng)驗法則。例如，盡量減少接地平面中的跡線或切口數(shù)量;必要時，將其設計為與電流方向保持平行(圖9)。

　　圖9.PCB中的切口和跡線會影響電流，因此也會影響輻射EMI。

　　保護噪聲敏感節(jié)點免受噪聲節(jié)點的影響

　　盡可能縮短噪聲敏感節(jié)點，并遠離噪聲節(jié)點。例如，從電阻分壓網(wǎng)絡到反饋(FB)引腳的長跡線可以充當天線并捕獲電磁輻射干擾的噪聲(圖10)。這種噪聲會被引入FB引腳，致使輸出端產(chǎn)生額外的噪聲，甚至使器件不穩(wěn)定。在設計開關降壓調(diào)節(jié)器的布局時，將這一切都考慮在內(nèi)是一個挑戰(zhàn)。

　　表1.降壓轉(zhuǎn)換器中噪聲敏感節(jié)點和噪聲節(jié)點的示例。

　　圖10.始終將FB引腳上的電阻分壓器盡可能靠近FB引腳放置。

　　模塊的優(yōu)勢在于將噪聲敏感節(jié)點和噪聲節(jié)點保持在最低限度，從而最大限度地減小錯誤布局的幾率。唯一要注意的是保持FB引腳的跡線盡可能短。

　　結論

　　在開關降壓轉(zhuǎn)換器中有許多用來調(diào)節(jié)EMI的旋鈕，但用來實現(xiàn)最佳方案可能還不夠方便。找到最佳配置會花費大量寶貴的設計時間。電源模塊早已包括FET和電感器，這就使得創(chuàng)建和完成具有良好EMI特性的電源設計變得簡單而又快捷。使用降壓模塊進行設計時最關鍵的一點是一些外部元件的放置方式，這有助于顯著提高EMI特性。

　　轉(zhuǎn)換器和電源模塊的EMI比較

　　前文說明了開關電源中EMI的來源以及如何降低EMI。現(xiàn)在，本文將通過比較轉(zhuǎn)換器和使用相同集成電路(IC)的電源模塊之間的測量結果，來演示模塊如何幫助減輕EMI輻射。兩者均來自TI的SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品線，轉(zhuǎn)換器為LMR23630，電源模塊為LMZM33603，采用LMR23630 IC。通過對兩個器件的EVM做部分更改，以獲得相同的BOM數(shù)，因此結果僅取決于所選部件(轉(zhuǎn)換器或電源模塊)和布局。兩種EVM均具有良好的優(yōu)化布局。之后，將電容器放置在遠離輸入引腳的位置，就生成了不良布局。

　　LMR23630轉(zhuǎn)換器的性能

　　圖11.具有不同輸入電容布局的LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射。

　　圖11顯示了不同設計布局的四種不同EMI頻譜。設計布局從優(yōu)至劣排列(類似于圖5，只是把各步驟分開)。第一次測量(良好布局/藍線)時，未對EVM的布局做出更改(良好布局中所有的輸入電容器都非?？拷斎胍_)。第二次測量(小電容器靠近/紅線)時，兩個4.7μF電容器均放置在距輸入引腳2.5厘米處。0.22μF的小電容器非?？拷斎胍_。在第三(小電容器遠離/綠線)和第四(無小電容器/紫線)次測量時，小電容器分別距輸入引腳2.5厘米，然后完全移除。

　　您可以在圖11中看到輸入電容器的放置非常關鍵。將小輸入電容器遠離輸入引腳放置或?qū)⑵渫耆瞥龝`背CISPR 22 A3M級標準。將小電容器靠近輸入引腳放置可以最大限度地減少高頻環(huán)路面積。小電容器可濾除高頻噪聲，而較大電容的電容器可濾除低頻噪聲。

　　電源模塊的封裝中通常包含一個小輸入電容器。讓我們看看布局不良時電源模塊的性能。

　　LMZM33603電源模塊的性能

　　圖12顯示了電源模塊的EVM布局，同樣從優(yōu)至劣排列。藍線表示未更改EVM的EMI輻射。紅線和綠線表示不良布局，其中一條線有兩個4.7μF輸入電容器，位于PCB底部下方(紅線)。綠線的電容器距輸入引腳約3.5厘米(圖13中以紅色橢圓形突出顯示)。圖13中的紅色粗線還顯示了更改后的EVM，以及VIN、輸入電容器和接地之間形成的關鍵環(huán)路區(qū)域。EMI特性變差，但并不違背CISPR 22 A3M級標準。

　　圖12.TI LMZM33603電源模塊的EMI輻射特性

　　圖13.TI LMZM33603電源模塊的不良布局示例。

　　電源模塊可以補救布局設計錯誤

　　圖14在單個圖表中對LMR23630轉(zhuǎn)換器(紅線)和LMZM33603電源模塊(藍線)做出了對比。兩者均有類似的不良布局，所有外部輸入電容器都遠離輸入引腳。

　　顯然，LMZM33603電源模塊的EMI輻射特性要優(yōu)于LMR23630轉(zhuǎn)換器。盡管兩種布局均不完美，但電源模塊會通過CISPR測試，而轉(zhuǎn)換器無法通過測試。

　　圖14.比較TI LMR23630轉(zhuǎn)換器和LMZM33603電源模塊的EMI特性。

　　結論

　　正如前文所說，為開關電源創(chuàng)建良好的布局設計具有挑戰(zhàn)性。即使是經(jīng)驗豐富的工程師也容易犯錯，例如輸入電容器的放置位置不當。

　　電源模塊更有利于減少設計布局錯誤。在滿足EMI特性方面，它們是開關電源的理想選擇，并且對高效利用設計時間至關重要。

　　如需閱讀創(chuàng)建良好布局降低EMI的其他文章，請查看應用報告，“DC/DC轉(zhuǎn)換器中降低EMI的AN-2155布局技巧”和“AN-643 EMI/RFI電路板設計”。

　　重要須知：此處所描述的TI股份有限公司及其附屬公司的產(chǎn)品與設備是符合TI標準銷售條款和條件的銷售主體。我們建議客戶在下單前先獲取TI產(chǎn)品及服務的最新最全信息。TI對應用支持、客戶應用、產(chǎn)品設計、軟件性能以及專利侵權不承擔任何責任。在此對其他公司產(chǎn)品或服務的信息公開不構成對TI的批準、授權或背書。

　　平臺標識是商標，SIMPLE SWITCHER是德州儀器的注冊商標。

　　所有其他商標是其各自所有者的財產(chǎn)。