使用电源模块简化低EMI设计

　　图6中曲线图的红线表示不良布局的EMI辐射。蓝线表示采用相同EVM的良好布局的EMI辐射。修改一个环路面积会产生巨大的影响。LMR23630转换器的EMI辐射水平可降低20 dBμV/m以上。

　　图7.不同类型电源模块的内部组成。在这两种情况下，电感器均位于IC晶片的顶部。

　　因此，在采用降压转换器或降压电源模块进行设计时，如何放置输入电容器应该是首要考虑因素之一。电源模块还具有以下优点：电感器和IC之间的关键环路面积已经过优化。电感器在封装内部与集成电路连接(见图7)。这种放置方式会在封装内部形成一个较小的环路区域。因此，不必将噪声开关节点布线在印刷电路板上。

　　电源模块中屏蔽了其中的大多数电感器，以防止来自线圈的电磁辐射。在非常靠近电感器的地方会发生高电流电压转换，并且开关节点的一部分电磁场受到屏蔽，电感器位于引线框架的顶部(见图7)。

　　快速的电压和电流瞬变

　　快速瞬变会导致开关节点发生振铃，从而产生EMI。在某些情况下，转换器可连接至启动引脚。将一个电阻器与启动电容器串联放置会增加上升时间(dt)，在降低EMI的同时损失了效率。

　　图8.将启动电阻器添加到LMR23630转换器开关节点的影响。EMI辐射较低，但由于开关损耗较高，因此效率有所降低。

　　图8显示了LMR23630 EVM的EMI辐射扫描。对布局进行更改后，将输入电容器放在距引脚约2.5厘米远的位置，以模拟不良布局，并展示启动电容器的放置将如何影响EMI特性。在设计中多放一个启动电容器可能比完全改变布局更容易。建议您在设计时始终将启动电容器考虑进去，以备不时之需。如果没有，您可以使用0Ω电阻器来减少PCB上的空间。

　　将启动电阻器与启动电容器串联可以降低EMI频谱。某些频率范围中的发射会降低达6dB。图8还显示了效率平衡情况。使用30.1Ω的电阻器缩短上升时间dt，从而将效率降低1%以上。

　　看一下功率损耗就更能说明这一点。满载(3A)的功率损耗从1.9W增加到2.1W。功率损耗超过10%时,可能会导致散热问题。

　　在开关节点引脚和接地引脚之间放置一个小型肖特基二极管可以降低反向恢复电流，从而降低同步转换器中的开关节点电流振铃dI，但这样会提高物料清单(BOM)成本。或者，您可以添加一个缓冲网络，其中包含一个位于开关节点与接地之间的额外的大封装电容和电阻。缓冲器可消耗开关节点振铃的能量，但需要知道附加组件的振铃频率和正确计算。这种方法同样会降低开关电源的效率。

　　电流路径中的寄生电感和电容

　　对于同步降压转换器，每个IC架构会产生不同强度的噪声，表现为EMI辐射。但很难从数据表中找到这一项。大多数数据表都没有提供EMI图，因为PCB布局、BOM组件和其他因素会对EMI特性产生影响。幸运的话，EVM用户指南会提供此特定设计的EMI特性图。但如果您的设计与EVM的布局和BOM不匹配，您所设计的应用的EMI特性可能会有很大差异。电源模块简化了布局，实现了快速简便的设计，因为您只需要考虑一些经验法则。例如，尽量减少接地平面中的迹线或切口数量;必要时，将其设计为与电流方向保持平行(图9)。

　　图9.PCB中的切口和迹线会影响电流，因此也会影响辐射EMI。

　　保护噪声敏感节点免受噪声节点的影响

　　尽可能缩短噪声敏感节点，并远离噪声节点。例如，从电阻分压网络到反馈(FB)引脚的长迹线可以充当天线并捕获电磁辐射干扰的噪声(图10)。这种噪声会被引入FB引脚，致使输出端产生额外的噪声，甚至使器件不稳定。在设计开关降压调节器的布局时，将这一切都考虑在内是一个挑战。

　　表1.降压转换器中噪声敏感节点和噪声节点的示例。

　　图10.始终将FB引脚上的电阻分压器尽可能靠近FB引脚放置。

　　模块的优势在于将噪声敏感节点和噪声节点保持在最低限度，从而最大限度地减小错误布局的几率。唯一要注意的是保持FB引脚的迹线尽可能短。

　　结论

　　在开关降压转换器中有许多用来调节EMI的旋钮，但用来实现最佳方案可能还不够方便。找到最佳配置会花费大量宝贵的设计时间。电源模块早已包括FET和电感器，这就使得创建和完成具有良好EMI特性的电源设计变得简单而又快捷。使用降压模块进行设计时最关键的一点是一些外部元件的放置方式，这有助于显著提高EMI特性。

　　转换器和电源模块的EMI比较

　　前文说明了开关电源中EMI的来源以及如何降低EMI。现在，本文将通过比较转换器和使用相同集成电路(IC)的电源模块之间的测量结果，来演示模块如何帮助减轻EMI辐射。两者均来自TI的SIMPLE SWITCHER产品线，转换器为LMR23630，电源模块为LMZM33603，采用LMR23630 IC。通过对两个器件的EVM做部分更改，以获得相同的BOM数，因此结果仅取决于所选部件(转换器或电源模块)和布局。两种EVM均具有良好的优化布局。之后，将电容器放置在远离输入引脚的位置，就生成了不良布局。

　　LMR23630转换器的性能

　　图11.具有不同输入电容布局的LMR23630转换器的EMI辐射。

　　图11显示了不同设计布局的四种不同EMI频谱。设计布局从优至劣排列(类似于图5，只是把各步骤分开)。第一次测量(良好布局/蓝线)时，未对EVM的布局做出更改(良好布局中所有的输入电容器都非常靠近输入引脚)。第二次测量(小电容器靠近/红线)时，两个4.7μF电容器均放置在距输入引脚2.5厘米处。0.22μF的小电容器非常靠近输入引脚。在第三(小电容器远离/绿线)和第四(无小电容器/紫线)次测量时，小电容器分别距输入引脚2.5厘米，然后完全移除。

　　您可以在图11中看到输入电容器的放置非常关键。将小输入电容器远离输入引脚放置或将其完全移除会违背CISPR 22 A3M级标准。将小电容器靠近输入引脚放置可以最大限度地减少高频环路面积。小电容器可滤除高频噪声，而较大电容的电容器可滤除低频噪声。

　　电源模块的封装中通常包含一个小输入电容器。让我们看看布局不良时电源模块的性能。

　　LMZM33603电源模块的性能

　　图12显示了电源模块的EVM布局，同样从优至劣排列。蓝线表示未更改EVM的EMI辐射。红线和绿线表示不良布局，其中一条线有两个4.7μF输入电容器，位于PCB底部下方(红线)。绿线的电容器距输入引脚约3.5厘米(图13中以红色椭圆形突出显示)。图13中的红色粗线还显示了更改后的EVM，以及VIN、输入电容器和接地之间形成的关键环路区域。EMI特性变差，但并不违背CISPR 22 A3M级标准。

　　图12.TI LMZM33603电源模块的EMI辐射特性

　　图13.TI LMZM33603电源模块的不良布局示例。

　　电源模块可以补救布局设计错误

　　图14在单个图表中对LMR23630转换器(红线)和LMZM33603电源模块(蓝线)做出了对比。两者均有类似的不良布局，所有外部输入电容器都远离输入引脚。

　　显然，LMZM33603电源模块的EMI辐射特性要优于LMR23630转换器。尽管两种布局均不完美，但电源模块会通过CISPR测试，而转换器无法通过测试。

　　图14.比较TI LMR23630转换器和LMZM33603电源模块的EMI特性。

　　结论

　　正如前文所说，为开关电源创建良好的布局设计具有挑战性。即使是经验丰富的工程师也容易犯错，例如输入电容器的放置位置不当。

　　电源模块更有利于减少设计布局错误。在满足EMI特性方面，它们是开关电源的理想选择，并且对高效利用设计时间至关重要。

　　如需阅读创建良好布局降低EMI的其他文章，请查看应用报告，“DC/DC转换器中降低EMI的AN-2155布局技巧”和“AN-643 EMI/RFI电路板设计”。

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