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電感下方要鋪銅嗎?DC/DC低EMI設計

2026-05-22 來源: 作者:深圳市佰泰盛世科技有限公司
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關鍵詞: DC/DC低EMI設計 PCB布局 電感鋪銅 EMC規范

電感下方要鋪銅嗎?DC/DC低EMI設計

每個開關電源都是一個寬帶噪聲源。因此,將汽車電路板網絡中的DC/DC 變換器集成到汽車控制單元中,同時仍然滿足汽車原始設備制造商(OEM) 的 EMC 要求,是一項很艱巨的任務。


   通常,來自 DC/DC 變換器和其他高速電路的噪聲會通過所連接的電纜輻射,這些電纜為噪聲提供了有效的天線路徑。為了阻斷這種潛在的輻射路徑,需要在每個電纜連接點都設置濾波器電路。但是,只有當噪聲源的 H場或 E 場沒有耦合到濾波器組件或電纜中時,濾波才會有效。

    在近場環境中,場強的下降與距離平方的倒數 (1/d2) 成正比。因此,噪聲源、濾波器組件和連接器之間需要保持一定的最小距離。

    但實際上,PCB 尺寸和電纜連接器的位置通常取決于機械空間的大小。而且,在 PCB 的某些區域,元件的最大高度可能非常有限,或者也有可能無法進行雙面組裝。這些硬件條件的限制要求設計人員在決定元件位置和 PCB 布局時要非常謹慎,尤其是在汽車制造等高度監管的行業中。

 

布局規劃

為避免DC/DC 變換器的電場和磁場被直接耦合到連接器和電纜中,電路必須盡可能遠離 PCB 連接點(見圖 1)。


只有距離或額外的屏蔽才能將 EMC 濾波器、連接器和電纜的場強降低到必要的水平,而屏蔽可以代替距離。

最好的方法是采用至少4層、雙面組裝的 PCB,并將DC/DC 電路和濾波器組件放在電路板相對的兩側。而且,至少有一個內部板層為完整的接地層,以最大可能地減少從噪聲源到濾波器電路的交叉耦合。

如果因為系統限制,DC/DC 電路必須靠近連接器,則必須在設計初期即考慮有效的屏蔽。散熱器有時也可以用來屏蔽。理想情況下,電感、內置功率 MOSFET 的 DC/DC IC 及其去耦電容都應被屏蔽。

PCB布局指南

在降壓變換器中,主要的場源包括:

- 由兩個電源開關和 CIN形成的高 di/dt 環路(熱環路),它輻射出寬帶磁場
- 功率 FET 和電感之間的開關節點,具有強電場輻射
- 輻射電場和磁場的電感

交流磁場可以被能夠感應渦流的固體金屬區域屏蔽。而銅因其高導電性即為非常有效的屏蔽材質。在PCB 上,返回固定電位的電位差路徑中的任何導體都可以有效屏蔽電場輻射。

任何高 di/dt 環路都會輻射出與環路面積和電流幅度成比例的磁場。將輸入電容放置在靠近兩個電源開關的位置,并采用低阻抗連接,可以最大限度地減小天線環路面積。

為進一步減少該環路產生的磁場,可以在電源開關處對稱放置兩組電容。理想情況下,這樣可以將兩個環路中的峰值電流降低一半,從而將 H 場降低 6dB。如果兩個環路的方向相反,更將進一步降低輻射的H磁場。(1)

在DC/DC電路的下一層、間距小于100μm的位置應布置完整的GND區域。在這個鋪銅區域中,流經電路元件和 PCB 跡線的高 di/dt 電流會產生渦流。渦流與元件側的原始電流方向相反,兩個磁場將相互抵消。如果渦流能夠在最短距離內對元件側的高 di/dt 環路電流進行鏡像,則效果最佳。

在超導、零距離和兩個環路形狀完全匹配的理想情況下,PCB 元件側的 H 場輻射將被渦流的 H 場完全抵消。

由于DC/DC 電路下方的 GND 鋪銅區域有阻抗,因此高 di/dt 渦流會產生電勢差,并讓該區域產生噪聲。這個高噪聲的 GND 區域必須與系統 GND 區域分開,尤其要與濾波器和連接器的任何 GND 參考區域隔離。在多層 PCB 中,可以分別布局各層,并通過層間的通孔阻抗來實現隔離。

多層 PCB 的三維視圖可以說明這一概念(見圖 2)。

在頂層,輸入電容(CIN)和兩個功率 FET 連接至 VIN區域和 PGND 區域(如上圖中的紅色部分),它們通過通孔連接到內層。在 VIN路徑上,通孔之后必須連接電感元件(例如 1μH 至 2μH的線圈)。這樣,來自開關轉換的高 di/dt 電流將被限制在 CIN中,不會在PCB上流動。

PGND 區域不應直接連接到元件側的任何其他 GND,只通過通孔連接到 DC/DC 模塊下的 PGND 區域(如上圖中的藍色部分)。其目的是將高頻電流限制在元件側,將噪聲與“外界”隔離開來。PCB中至少要設計一層完整的GND,以提供低阻抗的系統參考。請記住,布局也是電路的一部分。

 

電感下方要鋪銅嗎?

有些 PCB 布局工具預設不允許在電感芯下鋪銅。對于這個問題,各方觀點不一,有人認為根本無需鋪銅,有人則認為應該直接在PCB 元件側線圈正下方鋪銅。

在圖 3 顯示的 4 層 PCB 中,線圈下方的任何層中都沒有鋪銅,其產生的磁場如圖中所示。線圈產生的強磁力線直達 PCB 底部并緊緊圍繞 PCB,有效耦合到任何連接的電纜中。PCB 上的濾波器組件則被空氣旁路。在這種設計下,幾乎不可能達到汽車 OEM的EMC標準。

圖 4 顯示的布局中,銅層直接鋪在元件側的線圈正下方。

這種設計為渦流提供了一個區域來抵消 PCB 外部已有的磁場。內層 2 和底層完全無噪聲。EMC 濾波器組件可以有效放置在底部。渦流磁場會稍稍降低線圈的有效電感(通常小于 5%)。渦流還會在 GND銅層中產生一些損耗。銅層直接位于電感磁芯下方還有一個小缺點就是增大了繞組到 GND 的寄生電容。但在大多數設計中,該電容非常低,因此不會產生大的影響。

 

PCB布局示例:MPQ443x系列

MPQ443x 系列產品均為40V 同步降壓變換器,具有低工作靜態電流和 1A 至 3.5A的輸出電流,非常適合汽車和工業應用。

MPQ4430 IC (U1) PCB 的頂部具有對稱的 CIN 組 (C1A-C1D)。這些電容的 GND 直接連接到 IC PGND 引腳,即底部 FET 的源極。這一片本地 GND 區域噪聲較大。在元件側,這片 GND 區域與其他任何GND 區域都沒有直接的連接,唯一的連接處就是通過通孔連接到DC/DC 電路下方層中的GND 區域。在這種配置中,來自功率級的高 di/dt 電流被限制在元件側。最高電流密度位于 VIN 和 PGND 之間走線的內邊緣,如示例中的綠色橢圓所示(見圖 5)。


VIN通過通孔連接到第 3 層。由于通孔存在電感,輸入電流的高頻部分仍留在頂部。CIN9 抑制了 IC 上的這個 VIN 節點;但由于它的高度為 6mm ,并且陰極連接到GND,因此也阻斷了來自 SW 節點和線圈的部分E場輻射。

頂部 DC/DC 模塊周圍的切口將所有高頻電流保留在該區域內。如果沒有切口,則一小部分熱回路電流仍會在 PCB 的邊角處流動,從而使該區域產生噪聲。

高 dV/dt SW節點連接到電感,而電感通常較大并會輻射出電場。對大多數電感而言,如果其繞組起點連接到 SW 節點,則電場輻射會較低。

減少線圈電場輻射的方法之一是在線圈兩側放置輸出電容(C2A 和 C2B)。當電容與線圈一樣高或更高時,效果最佳。一般而言,相比更大、更高的線圈,尺寸較小、更加扁平的電感具有更好的EMC 性能。

經過EMC 優化的PCB,其內層 1 為 GND層。該層應放置在頂部下方 70μm 處(見圖 6)。該 GND 區域噪聲較大。在DC/DC 模塊周圍 的GND 區域做切口,可防止剩余電流在連接器和濾波器組件下方層的邊緣流動。切口應為兩個狹長的開口,準確開在 VIN 和 VOUT 被路由到下層DC/DC 電路的位置,以提供預設的本地返回路徑。測試結果:30MHz 至100MHz傳導發射

在 fSW = 470kHz 且頻譜擴展調制 (SSFM) 條件下,30MHz 至 108MHz 的傳導發射測試結果約為 0dBμV,僅比系統噪聲高幾分貝。

MPQ4431帶0805 2.2μH 電感和兩個 0805 輸出電容、且開關頻率為 470kHz ,它在沒有額外屏蔽或 SSFM 的條件下也通過了低頻 RE 單極測試

結語

布局及其寄生元件也是電路的組成部分。對PCB進行優化可以實現 DC/DC 變換器的低 EMI。審慎的元件布置和電路板布局將有助于滿足汽車行業嚴格的 EMC 規范,MPS 的 MPQ4431 降壓變換器就是一個良好的范例。

網址:www.baitaishengshi.com




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