在当今的便携式、移动和物联网设备上发现多个板载DC-DC转换器是相当常见的。如果设备使用无线、GPS或蜂窝技术,来自这些转换器(通常使用1到3 MHz之间的切换频率)的EMI通常会干扰无线模块的接收机性能。
低频段蜂窝(700-900兆赫)或GPS(1575.42兆赫)确实会出现这个问题,而Wi-Fi(2.4兆赫)的问题可能就不那么严重了,因为这些转换器的谐波发射通常会达到2兆赫或更多。蜂窝提供商有严格的接收机灵敏度要求,而全各向同性灵敏度(TIS)是CTIA符合性期间执行的测试之一。如果接收器不够敏感,产品将不被允许进入蜂窝系统(参考文献1而且2).
本文介绍了减少这些DC-DC转换器排放的十大方法。它们没有特别的顺序——所有的都很重要。
1.指定低电磁干扰转换器。德州仪器(TI)和Analog Devices / Linear Technologies (AD)都在继续开发低emi器件。AD最近开发了他们的静音切换器,它可以将输入和输出电容定位到IC包附近。他们更新的Silent Switcher 2低emi转换器在IC封装中包含输入和输出电容及其相关环路。最后,他们的“µModule”系列转换器也包含输出电感。虽然价格更高,但对于百代来说,这些都特别安静。
2.使用一个合适的PC板堆叠。我的大多数客户都错了(图1).所有信号层必须有一个相邻的接地参考平面(GRP),所有电源走线(或平面)也必须有一个相邻的GRP (图2).这是因为在当今的快速数字技术中,所有微带、带状线和电源路由都应被视为传输线——如果不遵循这一规则,预计电路之间的噪声和信号耦合(一种形式的串扰)、辐射EMI和板边辐射将直接进入天线。
图1-一个非常常见但糟糕的EMI堆叠设计(6层示例)。信号层4和6被引用到电源,而GRP和电源平面不相邻,中间有两个信号层。这将耦合这两个信号层上的暂态功率。
图2-一个好的EMI堆叠设计(8层的例子)。所有信号层都引用相邻的GRP,而功率也引用相邻的GRP。
3.地面参考平面(或多个平面)必须是固体的。快速开关信号或转换器迹线在地参考平面(GRP)内穿过间隙或槽将耦合整个电路板的EMI,并可以耦合到敏感的注意,TI的一些旧数据表(请注意1)建议从从转换器SW节点到输出电感输入的电路轨迹周围的路径切割GRP(和所有其他信号)。这是不正确的!此轨迹必须与固体GRP相邻。否则,他们的布局建议是可以的。请参阅视频演示,解释为什么GRP的间隙对EMI来说是一场灾难(参考3).
4.保持所有DC-DC转换器电路在顶层和相邻的GRP之上。产生噪声耦合的一个问题是从PC板的顶部到底部运行快速开关信号。我有一个客户定位转换器电路在顶部和输出电感在他们的板的底部。由此产生的3兆赫的开关电流从上到下来回流动,产生了足够的干扰来阻止机载GPS接收。如果必须从上到下路由快速上升时间信号,这通常需要位于通孔旁边的相邻缝合电容器(连接电源到GRP),为信号电流返回源提供附近的返回路径。
5.保持所有DC-DC转换器电路非常接近转换器IC。DC-DC变换器总是有一个输入电流环和一个输出电流环(图3).这些循环区域必须最小化!IC制造商开始认识到EMI是一个问题,并警告设计人员转换器制造商经常(在数据表的末尾!)提供建议的布局。过去2-3年的布局建议通常是准确的。如果超过这个时间,通常是不正确的。输入和输出电容以及输出电感都应该位于尽可能靠近IC封装的位置,以减少这些环路。
图3-典型DC-DC buck变换器中两个“热”电流回路的插图;一个在主要输入端,一个在次要输出端。提供,Analog Devices / Linear Technology AN-130。
6.将DC-DC转换器电路放置在靠近电路板电源入口的位置。这将倾向于将开关电流从敏感的无线模块(参考4).然而,在某些情况下,无线模块制造商希望转换器位于模块附近。如果是这种情况,请遵守所有其他规则,并面临直接与天线耦合的EMI增加的风险!
7.输出电感应该是屏蔽设计。电感器有两种类型;屏蔽和非屏蔽。总是使用屏蔽电感,因为这往往限制磁场h场。如果你能看到线圈,这是一个非屏蔽设计!
图4-两个典型铁氧体磁芯电感的横截面。您可以在未屏蔽的样式(右侧)中看到转弯,但在屏蔽样式(左侧)中看不到转弯。额外的铁氧体屏蔽层更好地限制了磁场(红色箭头)。由Würth Elektronik eiSos提供。
8.定向输出电感最低EMI。电感器在绕组上有一个“开始”和一个“结束”。开始端子有时用半圆或点标记在机身顶部。因为绕组的开始被总匝数所掩盖,它在某种程度上被那些相同的匝数所屏蔽。定位绕组的开始,使其连接到DC-DC转换器IC的开关输出(通常标记为“SW”)。绕组的结束连接到输出滤波器,因此它将比绕组的开始更安静。
图5-一些铁氧体电感有某种类型的标记,如TDK的半月,指示引脚1(绕组的开始)。在Würth Elektronik部件上,这通常是一个点。由Rick Hartley企业和美国TDK公司提供。
9.DC-DC转换器可能需要本地屏蔽。尽管使用了磁屏蔽电感器,良好的PC板设计和布局实践,仍然会有一个强的H-,特别是e场,在电路回路和输出周围产生,设计您的PC板,以适应这些局部屏蔽在一开始就添加“围栏焊条”连接到GRP。如果你不需要,那很好。
10.将天线和同轴电缆放置在远离转换器电路的地方。天线及其相关的同轴电缆(如果使用)应位于尽可能远离DC-DC的地方。大压降降压转换器的输入电路环路将具有相对较高的dV/dt,相关的电场可以直接耦合到接收机中。
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注1 -TI的一些旧数据表(下面的例子)建议去掉DC-DC转换器设计或演示板的输出节点(有时也包括输入节点)周围的GRP。这是不正确的,在我看来,如上所述技巧4.
- SLVU437A (rev 7/2013) - TPS621X0-505 EVM系列
- SLVSAG7E (rev 8/2016) - tps62130系列
- SLVC394 - Gerbers tps62130系列演示板
参考文献
- Wyatt,平台干扰-测量和缓解,干扰技术,//www.dionika-online.com/platform-interference-measurement-mitigation /
- Wyatt和Sandler,机载DC-DC变换器和LDO稳压器的三大EMI和电源完整性问题,干扰技术,https://interferencetechnology。com/top-three-emi-power-integrity-problems-board-dc-dc-converters-ldo-regulators /
- 回程飞机间隙的快速时钟跟踪(视频),https://www。com/watch吗?v = L44lTnQgv-o&t = 9
- André和怀亚特,EMI故障诊断手册产品设计师科技出版公司。