在 DC/DC 芯片的应用中,提前规划 EMC(电磁兼容性)设计至关重要,可避免后期在整改和优化上耗费大量时间和精力。DC/DC 电源的 PCB 设计,除了要满足基本电源工作功能,还要综合考虑功率路径的通流能力、路径损耗、电压下降等因素,而其中干扰和抗干扰问题更是设计的重点。实际上,许多电源 PCB 的设计规范都能从 EMC 的角度解读其规则制定的用意。
电源的 EMC 设计与普通 EMC 设计一样,需从 EMC 的三要素 —— 干扰源、耦合路径、敏感设备来分析和考虑。我们可通过抑制干扰源、切断耦合路径、保护敏感设备这三个措施来优化 EMC 设计。在 DC/DC 芯片应用里,DC/DC 芯片通常是系统中常见的干扰源,所以我们主要从抑制 DC/DC 这个干扰源来优化 EMC 设计。
在 DC/DC 电源中,Buck 电路是常见的电路拓扑,下面我们以 Buck 电路为例来分析噪声源。Buck 电路的主要噪声源是高频电流环路(Hot loop)和高频开关节点(SW note),它们包含了较宽频段的谐波分量。

高频电流环路和高频开关节点分别会产生时变的磁场和电场,它们在 PCB 中的位置如图所示。

以 Buck 电路为例,输入电流环路有梯形波的 di/dt 波形,而电感上存在三角波的 di/dt。用近场磁场探头检测时会发现,输入电流环路的上下两个 MOSFET 附近的磁场强度远大于电感附近的,特别是在高频部分。这是因为梯形波比三角波的高频分量更多,电流变化的斜率更快。所以通常对环路中 di/dt 的分析,更多集中在输入电流环路,也就是高频电流环路。
但需要注意的是,这个干扰源的环并非电流真实流向。在开关电源工作过程中,上管打开时是图中红色的电流环路;下管打开时是图中紫色的电流环路。两个时段叠加后,通过上管和下管的部分是一个大电流跳变的电流环路,而通过电感的电流跳变幅度并不大(蓝色波形)。所以我们把上管、下管和输入电容这个环路作为一个干扰环。
同样在 Buck 电路中,SW 节点上会存在方波的 dv/dt 波形,该节点会产生电场。通常人们容易忽略电感的 dv/dt,事实上,在近场电场的影响中,电感本身并不是稳定的电位,具有较大的 dv/dt 分量,在单杆测试中尤其明显。
抑制高频电流环路引起的噪声源
我们可以将高频电流环路看成是磁偶极子,磁矩和磁场强度会随着电流和环路面积的增大而增大,那么可以通过降低电流和减小面积来抑制噪声源。
首先,要找出不同拓扑的高频电流环路。如图所示,虚线的环路便是 di/dt 变化比较大的电流高频环路。可以看到 BUCK 电路中,电流高频环路存在于输入电容和两个开关管(或者一个开关管和一个二极管)形成的闭合环路;而 BOOST 电路作为对偶拓扑,电流高频环路存在于输出电容和两个开关管;SEPIC 电路的电流高频环路存在于两个开关管和两个电容形成的环路中。

由此可见,高频电流环路通常存在于开关管和连接开关管的电容形成的回路中,因为电流变化剧烈的通常在开关管之间,电流在两个开关管之间切换,而电感由于电流不能突然变化,di/dt 受到限制,不是我们重点考察高频电路环路的部分。
找到高频电流环路后,要抑制该噪声源引起的近场磁场,有效的方式就是减少该环路的面积。通常电流大小需要满足功率输出的要求,不能随意减小。
对于高频电流环路来说,减小环路面积还要特别注意输入电容的放置。如图所示,将电容放置在芯片背面(减小了和开关管的距离),所测得噪声大小要远小于其他两种方式(电容放在侧面和用较长的引线连接电容)。

随着先进封装技术的发展,更多的芯片将输入电容集成到芯片中,这样可以进一步减小高频环路的面积,以获得更好的 EMC 特性。

分别测试集成电容和未集成电容的两颗芯片 A 和 B,在同样的芯片和 PCB 布局下,可以看到 CISPR25 传导高频部分,集成电容的芯片具有更低的高频噪声,在通过传导测试方面具有较大优势。
通过优化 PCB 布局,也可以抑制高频电流环路的噪声,其中一个方法就是通过底部铺铜。根据楞次定律,感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。如果 PCB 的 TOP 层为高频电流环路,会形成磁场,同样在下方的 PCB 铺铜中,也能感应出相反的磁场,从而抵消上面的高频电流环路引起的磁场。完整的铺铜距离高频环路越近,对磁场的削弱作用越强。但要确保这个下方的 PCB 铺铜有足够低的阻抗链接到 GND,否则反而会帮助辐射。
抑制高频开关节点产生的干扰
在前面的分析中可知,BUCK 电路中还存在高频开关节点(SW note),这里的 dv/dt 会产生电场,也会产生辐射,同时引起的共模电流在传导测试中占据重要分量,尤其是在 CISPR25 的测试中。高频开关节点常常和辐射相关,尤其是在单杆天线测试和双锥天线测试中,在单杆天线测试中,高频开关节点产生的近场电场直接可以通过单杆天线接收。
抑制高频开关节点的 dv/dt,首先可以通过减小面积来减小近场电场的电场强度。如图所示,通过减小 SW 的铺铜面积,电场强度有了明显地减小。同样的方法,在单杆测试中,可以通过减小 SW 铺铜或者电感的体积来实现。前面我们分析过电感并不能保持稳定的电位,也是高频开关节点。
当功率受到限制时,电感体积不能明显减小,可以选用屏蔽电感。这里的屏蔽电感是指外部有金属层作为屏蔽层并接地的电感,并不是指铺铜的一体成型磁屏蔽的电感。集成式电场屏蔽电感器一般具有金属外壳,使用时需要外壳接地,提供一个稳定的零点位,可以达到电场屏蔽的效果。
实测屏蔽电感的单杆天线测试(150K - 30M),可以看到使用屏蔽电感后,有将近 20dB 的抑制效果,如图所示。当然,实际中我们也可以用金属罩对开关节点 SW 和电感进行屏蔽。
抑制共模电流
我们知道共模电流在传导和辐射测试中会存在,尤其在辐射测试中占据重要分量,需要对其进行抑制。分析共模电流的路径,我们可以通过以下 3 种方式抑制共模电流:
减小 dv/dt 的开关面积和电感尺寸,减弱电场场强。
屏蔽 SW 节点和电感,为 dv/dt 噪声源提供零电平,减小耦合电容。
在输入端加共模电感 ,增加共模环路的阻抗。