正確的電路板布板降低開關模式轉換器的EMI

在圖1b中，開關節(jié)點電壓vlx以及晶體管電流i1和i2為方波，具有高頻分量。電感電流i3是三角波，也是可能的噪聲源。這些波形能夠實現(xiàn)較高的效率，但是從emi的角度看，卻存在很大問題。

一個理想的轉換器不會產生外部電磁場，只在輸入端吸收直流電流。開關動作限制在轉換器模塊內部。電路設計人員和布板工程師應負責保證達到這一目標：

lx節(jié)點產生電場輻射，所有其他節(jié)點的電壓保持不變。縮小節(jié)點面積，并在鄰近設置地平面可以直接限制該電場(電場會被該平面吸收)。但是也不能太近，否則會增加雜散電容，降低效率，導致lx電壓振鈴。節(jié)點太小產生串聯(lián)阻抗，也應避免這種情況。

i1到i3產生磁場輻射。每一電流環(huán)路pcb布板的雜散電感決定了場強。電路環(huán)路之間的非金屬區(qū)域應盡可能的小，而走線寬度應盡可能大，以達到最低磁場強度。電感(l)本身應有良好的磁場限制能力，這由電感結構決定，而不取決于pcb布板問題。

圖1a.

傳導emi是導致失敗的主要原因。電容cin和cout無法為開關電流i1和i3提供低阻時，將產生該問題。這些電流流至上游和下游電路。阻抗包括電容本身(含雜散電容)以及pcb的雜散阻抗。pcb雜散電感決定了阻抗，應盡量減小該電感，這同時也降低了磁場輻射。開關轉換器內部應避免出現(xiàn)過孔，這是因為過孔的感應系數(shù)較大。可以在頂層/元件層為電源的快速電流建立局部平面來解決這一問題。smt元件可直接連接在這些平面上。通路必須寬而且短以降低電感。過孔用于連接本地平面和電源以外的系統(tǒng)平面。其雜散電感有助于將快速電流限制在頂層。可以在電感周圍加入過孔，降低其阻抗效應。產生傳導emi的另一原因來自地平面，快速開關電流引起電壓尖峰。開關電流必須與外部電路共用任一通路，包括地平面。其解決方法還是在轉換器邊界內部的頂層設置一個局部電源地平面，在一點連接至系統(tǒng)地平面，這一點通常是在輸出電容處。

其他元件包括控制器ic、偏置和反饋/補償元件等，這些都是低電平信號源。為避免串擾，這些元件應與功率元件分開放置，以控制器ic隔斷它們。一種方法是將功率元件放置在控制器的一側，低電平信號元件放置在另一側?？刂破鱥c的門驅動輸出以開關頻率吸收和源出大電流尖峰，應減小ic和開關晶體管之間的距離。反饋和補償引腳等大阻抗節(jié)點應盡量小，與功率元件保持較遠的距離，特別是在開關節(jié)點lx上。直流-直流控制器ic一般具有兩個地引腳gnd和pgnd。方法是將低電平信號地與電源地分離。當然，還要為低電平信號設置另一模擬地平面，不用設在頂層，可以使用過孔。模擬地和電源地應只在一點連接，一般是在pgnd引腳。在極端情況(大電流)下，可以采用一個純單點地，在輸出電容處連接局部地、電源地和系統(tǒng)地平面。

以下布板指南總結了上面的討論(較好的數(shù)據(jù)手冊中也會有相似的pcb指南):

功率元件布局布線。開始先放置開關晶體管q1和q2、電感l(wèi)和輸入輸出電容cin和cout。這些元件盡可能的靠近放置，特別是q2、cin和cout的地連接，以及cin和q1的連接。然后，為電源地、輸入、輸出和lx節(jié)點設置頂層連接，采用短而寬的走線連接至頂層。

低電平信號元件布局布線。控制器ic應靠近開關晶體管放置。低電平信號元件放置在控制器的另一側。應盡量減小大阻抗節(jié)點，遠離lx節(jié)點放置。在適當?shù)膶由显O置模擬地，在一點連接至電源地。

下面舉例說明上面采用的方法。max1954是低成本電流模式pwm控制器ic，適用于消費類以及電信和工業(yè)應用。圖2所示為max1954評估板原理圖，圖3所示為電路板布板。它能夠提供5a電流。評估板可以從低電壓(vin)或者高電壓分配總線(vhsd)上選擇輸入電源。

先找到功率元件：雙開關晶體管n1、電感l(wèi)1、輸入電容c3和輸出電容c5。c3的位置非常關鍵；應盡可能近的直接與上面mosfet漏極和下面mosfet源極并聯(lián)。這樣做的目的是消除上面mosfet打開時由于對下面mosfet體二極管恢復充電產生的快速開關峰值電流。這些元件放置在圖3中布板的右側。所有連接都在頂層完成(紅色)。右上角的lx節(jié)點直接放置在系統(tǒng)地平面的頂層，由頂層vhsd和pgnd節(jié)點進一步將其與下面的區(qū)域隔離。

低電平信號相關元件放置在布板左側。max1954控制器引出直接將低電平信號和電源電流分開。低電平信號和電源區(qū)之間放置控制器u1。r1和r2的中間點是反饋節(jié)點，做的比較小。補償節(jié)點(c7, c8和r3)也做的比較小。為了便于觀察，沒有畫出模擬地，它位于中間層，通過過孔與元件連接。

電源地和低電平模擬地平面在布板中分開，但還是在原理圖中以不同的符號表示。頂層電源地、模擬地平面和系統(tǒng)電源地平面在右下角連接在一起。

由于雜散電感和電容，開關節(jié)點將產生能夠導致emi的高頻(40mhz至100mhz)振鈴?？梢栽诿總€mosfet上并聯(lián)一個簡單的rc減振器電路，以阻尼高頻振鈴。為了阻尼vlx上升沿振鈴，在下面的mosfet兩端并聯(lián)一個rc減振器。同樣的，為阻尼vlx下降沿振鈴，在上面的mosfet兩端并聯(lián)一個rc減振器。增加元件意味著增加成本，可根據(jù)需要只加入rc減振器。選擇合適的rc減振器電路不會對效率造成太大的影響，這是因為雜散能量也會在電路中釋放掉，只是時間長一些。

注釋
1交換輸入和輸出電壓后，該指南可直接應用于升壓轉換器。