SMPS電感的安裝方向會(huì)影響輻射嗎？

開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）產(chǎn)生的EMI 輻射頻譜是由許多參數(shù)組成的函數(shù)，包括熱回路大小、開(kāi)關(guān)速度（壓擺率）和頻率、輸入和輸出濾波、屏蔽、布局和接地。一個(gè)潛在的輻射源是開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，在很多原理圖上稱(chēng)為SW。SW 節(jié)點(diǎn)銅可用作天線(xiàn)，發(fā)射快速高效的高功率開(kāi)關(guān)事件產(chǎn)生的噪聲。這是大多數(shù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的主要輻射源。

頂層SW 節(jié)點(diǎn)的銅量當(dāng)然應(yīng)該最小化，以限制天線(xiàn)尺寸。通過(guò)單芯片開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（IC 內(nèi)的電源開(kāi)關(guān)），SW 節(jié)點(diǎn)從IC（集成電路）一直到電感，并在頂層留下1 個(gè)短走線(xiàn)。通過(guò)使用一個(gè)控制器（開(kāi)關(guān)控制器IC 外部的功率開(kāi)關(guān)），SW 節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立于開(kāi)關(guān)，遠(yuǎn)離IC。SW節(jié)點(diǎn)銅在降壓和升壓開(kāi)關(guān)拓?fù)渲羞B接到電感的一側(cè)。由于涉及眾多性能參數(shù)，PCB（printed circuit board，印制電路板）的XY 平面中或內(nèi)層上的第1 層SW 節(jié)點(diǎn)的布局很棘手（見(jiàn)圖1）。

DC3008A LT8386低EMI（電磁干擾）LED（發(fā)光二極管）驅(qū)動(dòng)器上第1層的XY平面中突出顯示的SW節(jié)點(diǎn)。

圖1 PCB

它表示端子和短引線(xiàn)的方向。在此連接高dV/dt 以實(shí)現(xiàn)最低EMI。

1   電感幾何形狀

當(dāng)然，當(dāng)考慮電感端子時(shí)，SW 節(jié)點(diǎn)還會(huì)垂直延伸（在Z 平面中）。電感端子的垂直方向可能會(huì)增大SW節(jié)點(diǎn)的天線(xiàn)效應(yīng)和輻射。此外，內(nèi)部電感繞組可能不是對(duì)稱(chēng)的。即使電感的對(duì)稱(chēng)端子表明封裝中隱藏的是對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，但元件頂部的極性指示卻有另外的說(shuō)法。圖2 顯示了Coilcraft XAL 電感系列的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)。扁平線(xiàn)繞組從元件底部開(kāi)始，結(jié)束于頂部，因此在Z 平面中，一個(gè)端子最終要比另一個(gè)端子短得多。

Coilcraft XAL電感上的白色條紋是短線(xiàn)圈引線(xiàn)的標(biāo)記，因?yàn)榫€(xiàn)圈引線(xiàn)不可見(jiàn)。

圖2 Coilcraft XAL電感系列的內(nèi)部繞組結(jié)悔

此外，側(cè)面有裸露SW 節(jié)點(diǎn)的電感可能比具有屏蔽垂直金屬的電感更差，如圖3 所示。電路板設(shè)計(jì)人員可以選擇垂直裸露端子最少的電感來(lái)減少EMI，但兩個(gè)電感端子的方向和對(duì)輻射的相對(duì)影響如何？

圖3 不僅要注意方向，還應(yīng)注意EMI敏感設(shè)計(jì)上的電感端子類(lèi)型

2   輻射反映真相

被測(cè)電路板的低輻射性能是IC 輻射性能和布局考慮相結(jié)合的結(jié)果。即使采用低輻射單片IC，也必須慎重處理布局，同時(shí)還要考慮到關(guān)鍵輻射元件的安裝。為了證明這一點(diǎn)，我們考察了LT8386 演示電路的主電感L1 的方向?qū)﹄娐钒宓挠绊懀ㄒ?jiàn)圖4）。在這種情況下，電感制造商Coilcraft 規(guī)定元件上方標(biāo)記有白線(xiàn)的為XAL6060 系列電感的短端子。EMI 室中的標(biāo)準(zhǔn)CISPR25 傳導(dǎo)發(fā)射（CE）和輻射發(fā)射（RE）測(cè)試表明，該電感的放置方向（見(jiàn)圖5）會(huì)嚴(yán)重影響性能。

圖4 DC3008A LT8386低EMI LED驅(qū)動(dòng)器原理示意圖中突出顯示的SW節(jié)點(diǎn)

圖5 采用DC3008A LT8386 LED驅(qū)動(dòng)器的Coilcraft XAL6060-223MEB電感方向輻射測(cè)試。L1方向1（左），短端子在SW節(jié)點(diǎn)上；L1方向2（右），長(zhǎng)端子在SW節(jié)點(diǎn)上。輻射結(jié)果如圖6至圖8所示。

將短邊端子放在方向1 和方向2，比較完整輻射結(jié)果。

圖6、圖7 和圖8 表明，DC3008A 的輻射性能直接受到演示電路上L1 方向的影響，其他元件沒(méi)有變化。具體而言，對(duì)于方向1——即短邊端子放在SW 節(jié)點(diǎn)上，低頻RE（150 kHz ～ 150 MHz）和FM 頻段CE（70 MHz ～ 108 MHz）具有較低EMI。AM 頻段中的17 ～ 20 dBμV/m 差異無(wú)法被忽略。

圖6 輻射發(fā)射表明，DC3008A上的電感方向?qū)Y(jié)果有重大影響

圖7 電感的短邊端子附著于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)與另一種極性相比，電流探針?lè)椒▊鲗?dǎo)發(fā)射(CE)有所改善(>3 MHz)

圖8 電感的短邊端子附著于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)與另一種極性相比，電壓方法傳導(dǎo)發(fā)射(CE)有所改善(>3 MHz)

并非所有電感“生而平等”。繞組方向、端子形狀、端子連接的形狀甚至芯材料可能不同。芯材料和結(jié)構(gòu)不同的磁場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度可能會(huì)起到改變電感輻射的作用。但是，本案例研究揭示了一個(gè)需要關(guān)注的方面，我們可以把它變成有利因素。

短邊端子附著于SW 節(jié)點(diǎn)以使SW 天線(xiàn)最小（ 紅色），輻射發(fā)射（RE）得到顯著改善。

3   無(wú)極化指示的電感

如果電感制造商用絲網(wǎng)正面標(biāo)記或點(diǎn)指出內(nèi)部端子尺寸的不同，那么很容易確定方向。如果選擇此類(lèi)電感中的一種用于設(shè)計(jì)，在PCB 絲網(wǎng)上、安裝圖上甚至原理圖中做上標(biāo)記是明智的。遺憾的是，有些電感沒(méi)有極化或短端子指示。內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)可能接近對(duì)稱(chēng)，或者可能存在已知的結(jié)構(gòu)差異。這里沒(méi)有任何惡意——制造商可能沒(méi)有意識(shí)到其產(chǎn)品中固有的這種特定安裝方向的區(qū)別。無(wú)論如何，我們建議在認(rèn)證的腔室中評(píng)估選定電感在兩個(gè)方向上的輻射，以確保高性能測(cè)量結(jié)果可重復(fù)。

有時(shí)候沒(méi)有外部標(biāo)記，電感的安裝方向不可避免是任意的，但因?yàn)槠渌麉?shù)，仍需要使用電感。例如，Würth Elektronik 的WE-MAPI 金屬合金電源電感尺寸很小，效率很高。其端子僅位于殼體的底部。每個(gè)元件的頂部WE 徽標(biāo)附近都有一個(gè)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)手冊(cè)上并未將該點(diǎn)指定為繞組指示的起點(diǎn)（見(jiàn)圖9）。盡管最初這會(huì)引起一些混淆，但該元件具有相當(dāng)對(duì)稱(chēng)的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)，兩個(gè)安裝方向的性能應(yīng)當(dāng)相同。因此，IC 頂部的點(diǎn)不必在安裝絲網(wǎng)上指示出來(lái)。不過(guò)，如果用在EMI 至關(guān)重要的電路中，在2個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)試以確認(rèn)性能是明智的。

圖9 WE-MAPI電感數(shù)據(jù)手冊(cè)未給出繞組起始點(diǎn)，不過(guò)元件頂部標(biāo)識(shí)上有一個(gè)繞組起始點(diǎn)

4   另一示例：Würth WEXHMI

我們用高性能Würth 電感測(cè)試了DC3008A，封裝頂部上的點(diǎn)和數(shù)據(jù)手冊(cè)中指出了其繞組的起點(diǎn)（ 見(jiàn)圖10）。對(duì)于LT8386 的外形尺寸和電流要求，74439346150 15 μH 電感非常適合。同樣，為了與Coilcraft 進(jìn)行比較，我們?cè)趦蓚€(gè)方向上安裝該電感以進(jìn)行輻射測(cè)試（見(jiàn)圖11）。

圖10 WE-XHMI系列電感的頂部標(biāo)識(shí)指明了繞組起始點(diǎn)

圖11 采用DC3008A LT8386 LED驅(qū)動(dòng)器的Würth74439346150（“WE 150”）電感方向輻射測(cè)試。L1方向1（左），繞組的短端子起始點(diǎn)在SW節(jié)點(diǎn)上；L1方向2（右），長(zhǎng)端子在SW節(jié)點(diǎn)上

結(jié)果（見(jiàn)圖12）類(lèi)似于Coilcraft 電感。輻射結(jié)果表明，電感的安裝方向?qū)椛溆兄@著影響。在這種情況下，圖11 中的方向1 顯然是最佳方向，輻射最低。方向1的較低頻率AM（調(diào)幅）頻段（RE）和FM（調(diào)頻）頻段（CE）輻射顯然更好。

圖12 輻射和傳導(dǎo)發(fā)射表明，Würth 74439346150高性能電感的安裝方向?qū)椛浣Y(jié)果有重大影響

輻射結(jié)果如圖12 所示，表明繞組起始點(diǎn)應(yīng)連接到SW 節(jié)點(diǎn)以獲得最佳效果。

5   雙開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)降壓-升壓IC（結(jié)果待續(xù)）

顯而易見(jiàn)，電感方向?qū)伍_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)升壓LED 驅(qū)動(dòng)器中的輻射有影響。我們可以假設(shè)升壓調(diào)節(jié)器的SW 節(jié)點(diǎn)具有相同的特征輻射，因?yàn)殡妷赫{(diào)節(jié)器和LED 驅(qū)動(dòng)電路中的功率轉(zhuǎn)換和開(kāi)關(guān)元件相同。

我們還可以假設(shè)，為使電感端子的天線(xiàn)效應(yīng)最小化，降壓調(diào)節(jié)器具有類(lèi)似的SW 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)。不過(guò)，由于降壓調(diào)節(jié)器的SW 節(jié)點(diǎn)更靠近轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)，因此后續(xù)跟進(jìn)工作可能有助于確定電感方向在RE 和CE 區(qū)域的影響是否與升壓調(diào)節(jié)器相同。

對(duì)于雙開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)降壓- 升壓轉(zhuǎn)換器，則有一點(diǎn)進(jìn)退兩難。常用的降壓- 升壓轉(zhuǎn)換器（如LT8390 60 V 同步4 開(kāi)關(guān)降壓- 升壓控制器系列中的轉(zhuǎn)換器）具有重要的低EMI 特性（如SSFM）和小型熱環(huán)架構(gòu)。單電感設(shè)計(jì)不能清楚地揭示電感方向?qū)椛涞挠绊憽Ｈ魧⒍潭俗臃旁? 個(gè)SW 節(jié)點(diǎn)上，則長(zhǎng)端子在另一個(gè)SW 節(jié)點(diǎn)上會(huì)起到天線(xiàn)的作用。在這些設(shè)計(jì)中，哪個(gè)方向最好？當(dāng)所有四個(gè)開(kāi)關(guān)在4 開(kāi)關(guān)工作區(qū)（V_IN 接近V_OUT）中切換時(shí)，會(huì)發(fā)生什么？

我們將在未來(lái)的文章中探討這個(gè)問(wèn)題——在不同電感方向測(cè)試帶2 個(gè)SW 節(jié)點(diǎn)的4 開(kāi)關(guān)降壓- 升壓型控制器的EMI。留給大家思考：對(duì)于此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也許有兩種以上的選擇，在180° 分開(kāi)？

6   結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中電感的安裝方向很重要。測(cè)量輻射時(shí)，應(yīng)注意電感方向及其可重復(fù)性——知道所選電感在這些方面有何區(qū)別，在2 個(gè)方向上進(jìn)行測(cè)試，并且如果無(wú)法確定方向，應(yīng)將可能有的安裝陷阱清楚地告知電路板生產(chǎn)部門(mén)。可能只需要將電感旋轉(zhuǎn)180°就能改善輻射。

作者簡(jiǎn)介：Keith Szolusha：應(yīng)用總監(jiān)，工作地點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞州圣克拉拉。自2000年起，任職于BBI電源部，重點(diǎn)關(guān)注升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，同時(shí)還管理電源產(chǎn)品的EMI室。他畢業(yè)于美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT），1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專(zhuān)攻技術(shù)寫(xiě)作。E-mail：keith.szolusha@analog.com。

Gengyao Li：電源產(chǎn)品部應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞州圣克拉拉市。她主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和評(píng)估DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動(dòng)器。她于2017年獲得美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。E-mail：gengyao.li@analog.com。

Frank Wang：EMI工程師，獲得德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校電氣工程碩士學(xué)位，在加入ADI公司之前，曾在一家獨(dú)立認(rèn)證的合規(guī)實(shí)驗(yàn)室工作。他曾擔(dān)任EMC/EMI測(cè)試工程師和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，擁有4年相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)。他在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試、時(shí)間表安排、工程調(diào)試、測(cè)試儀器校準(zhǔn)和煙室維護(hù)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。E-mail：frank.wang@analog.com。

（本文來(lái)源于,《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）