使用電源模塊簡(jiǎn)化低EMI設(shè)計(jì)

　　圖6中曲線(xiàn)圖的紅線(xiàn)表示不良布局的EMI輻射。藍(lán)線(xiàn)表示采用相同EVM的良好布局的EMI輻射。修改一個(gè)環(huán)路面積會(huì)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(lèi)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如何放置輸入電容器應(yīng)該是首要考慮因素之一。電源模塊還具有以下優(yōu)點(diǎn)：電感器和IC之間的關(guān)鍵環(huán)路面積已經(jīng)過(guò)優(yōu)化。電感器在封裝內(nèi)部與集成電路連接(見(jiàn)圖7)。這種放置方式會(huì)在封裝內(nèi)部形成一個(gè)較小的環(huán)路區(qū)域。因此，不必將噪聲開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)布線(xiàn)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(lái)自線(xiàn)圈的電磁輻射。在非?？拷姼衅鞯牡胤綍?huì)發(fā)生高電流電壓轉(zhuǎn)換，并且開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的一部分電磁場(chǎng)受到屏蔽，電感器位于引線(xiàn)框架的頂部(見(jiàn)圖7)。

　　快速的電壓和電流瞬變

　　快速瞬變會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(dòng)引腳。將一個(gè)電阻器與啟動(dòng)電容器串聯(lián)放置會(huì)增加上升時(shí)間(dt)，在降低EMI的同時(shí)損失了效率。

　　圖8.將啟動(dòng)電阻器添加到LMR23630轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的影響。EMI輻射較低，但由于開(kāi)關(guān)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(duì)布局進(jìn)行更改后，將輸入電容器放在距引腳約2.5厘米遠(yuǎn)的位置，以模擬不良布局，并展示啟動(dòng)電容器的放置將如何影響EMI特性。在設(shè)計(jì)中多放一個(gè)啟動(dòng)電容器可能比完全改變布局更容易。建議您在設(shè)計(jì)時(shí)始終將啟動(dòng)電容器考慮進(jìn)去，以備不時(shí)之需。如果沒(méi)有，您可以使用0Ω電阻器來(lái)減少PCB上的空間。

　　將啟動(dòng)電阻器與啟動(dòng)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(huì)降低達(dá)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(shí)間dt，從而將效率降低1%以上。

　　看一下功率損耗就更能說(shuō)明這一點(diǎn)。滿(mǎn)載(3A)的功率損耗從1.9W增加到2.1W。功率損耗超過(guò)10%時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致散熱問(wèn)題。

　　在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)引腳和接地引腳之間放置一個(gè)小型肖特基二極管可以降低反向恢復(fù)電流，從而降低同步轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電流振鈴dI，但這樣會(huì)提高物料清單(BOM)成本?；蛘撸梢蕴砑右粋€(gè)緩沖網(wǎng)絡(luò)，其中包含一個(gè)位于開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)與接地之間的額外的大封裝電容和電阻。緩沖器可消耗開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴的能量，但需要知道附加組件的振鈴頻率和正確計(jì)算。這種方法同樣會(huì)降低開(kāi)關(guān)電源的效率。

　　電流路徑中的寄生電感和電容

　　對(duì)于同步降壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)IC架構(gòu)會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)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(xiàng)。大多數(shù)數(shù)據(jù)表都沒(méi)有提供EMI圖，因?yàn)镻CB布局、BOM組件和其他因素會(huì)對(duì)EMI特性產(chǎn)生影響。幸運(yùn)的話(huà)，EVM用戶(hù)指南會(huì)提供此特定設(shè)計(jì)的EMI特性圖。但如果您的設(shè)計(jì)與EVM的布局和BOM不匹配，您所設(shè)計(jì)的應(yīng)用的EMI特性可能會(huì)有很大差異。電源模塊簡(jiǎn)化了布局，實(shí)現(xiàn)了快速簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)，因?yàn)槟恍枰紤]一些經(jīng)驗(yàn)法則。例如，盡量減少接地平面中的跡線(xiàn)或切口數(shù)量;必要時(shí)，將其設(shè)計(jì)為與電流方向保持平行(圖9)。

　　圖9.PCB中的切口和跡線(xiàn)會(huì)影響電流，因此也會(huì)影響輻射EMI。

　　保護(hù)噪聲敏感節(jié)點(diǎn)免受噪聲節(jié)點(diǎn)的影響

　　盡可能縮短噪聲敏感節(jié)點(diǎn)，并遠(yuǎn)離噪聲節(jié)點(diǎn)。例如，從電阻分壓網(wǎng)絡(luò)到反饋(FB)引腳的長(zhǎng)跡線(xiàn)可以充當(dāng)天線(xiàn)并捕獲電磁輻射干擾的噪聲(圖10)。這種噪聲會(huì)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(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)降壓調(diào)節(jié)器的布局時(shí)，將這一切都考慮在內(nèi)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

　　表1.降壓轉(zhuǎn)換器中噪聲敏感節(jié)點(diǎn)和噪聲節(jié)點(diǎn)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(shì)在于將噪聲敏感節(jié)點(diǎn)和噪聲節(jié)點(diǎn)保持在最低限度，從而最大限度地減小錯(cuò)誤布局的幾率。唯一要注意的是保持FB引腳的跡線(xiàn)盡可能短。

　　結(jié)論

　　在開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器中有許多用來(lái)調(diào)節(jié)EMI的旋鈕，但用來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳方案可能還不夠方便。找到最佳配置會(huì)花費(fèi)大量寶貴的設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單而又快捷。使用降壓模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)最關(guān)鍵的一點(diǎn)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(shuō)明了開(kāi)關(guān)電源中EMI的來(lái)源以及如何降低EMI。現(xiàn)在，本文將通過(guò)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(cè)量結(jié)果，來(lái)演示模塊如何幫助減輕EMI輻射。兩者均來(lái)自TI的SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品線(xiàn)，轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)MR23630，電源模塊為L(zhǎng)MZM33603，采用LMR23630 IC。通過(guò)對(duì)兩個(gè)器件的EVM做部分更改，以獲得相同的BOM數(shù)，因此結(jié)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(yuǎn)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(shè)計(jì)布局的四種不同EMI頻譜。設(shè)計(jì)布局從優(yōu)至劣排列(類(lèi)似于圖5，只是把各步驟分開(kāi))。第一次測(cè)量(良好布局/藍(lán)線(xiàn))時(shí)，未對(duì)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(cè)量(小電容器靠近/紅線(xiàn))時(shí)，兩個(gè)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(yuǎn)離/綠線(xiàn))和第四(無(wú)小電容器/紫線(xiàn))次測(cè)量時(shí)，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(guān)鍵。將小輸入電容器遠(yuǎn)離輸入引腳放置或?qū)⑵渫耆瞥龝?huì)違背CISPR 22 A3M級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)小輸入電容器。讓我們看看布局不良時(shí)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(lán)線(xiàn)表示未更改EVM的EMI輻射。紅線(xiàn)和綠線(xiàn)表示不良布局，其中一條線(xiàn)有兩個(gè)4.7μF輸入電容器，位于PCB底部下方(紅線(xiàn))。綠線(xiàn)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(xiàn)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(guān)鍵環(huán)路區(qū)域。EMI特性變差，但并不違背CISPR 22 A3M級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

　　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(bǔ)救布局設(shè)計(jì)錯(cuò)誤

　　圖14在單個(gè)圖表中對(duì)LMR23630轉(zhuǎn)換器(紅線(xiàn))和LMZM33603電源模塊(藍(lán)線(xiàn))做出了對(duì)比。兩者均有類(lèi)似的不良布局，所有外部輸入電容器都遠(yuǎn)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(huì)通過(guò)CISPR測(cè)試，而轉(zhuǎn)換器無(wú)法通過(guò)測(cè)試。

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

　　結(jié)論

　　正如前文所說(shuō)，為開(kāi)關(guān)電源創(chuàng)建良好的布局設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性。即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師也容易犯錯(cuò)，例如輸入電容器的放置位置不當(dāng)。

　　電源模塊更有利于減少設(shè)計(jì)布局錯(cuò)誤。在滿(mǎn)足EMI特性方面，它們是開(kāi)關(guān)電源的理想選擇，并且對(duì)高效利用設(shè)計(jì)時(shí)間至關(guān)重要。

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