交换机节点EMC布局注意事项

考虑一个降压(降压)转换器，如MPQ4430(见图1)．这种单片电力系统(MPS)的器件集成了高侧和低侧fet，能够提供高达3.5A的负载电流。

图1:MPQ4430 Buck转换器示例

在这个例子中，使用了MPSDC/DC Designer在线工具， MPQ4430稳压器旨在从12V降至3.3V，同时提供3A的最大负载。的交换节点图1用红色标记为VSW。注意，“VSW”和“SW节点”在本文中可互换使用，它们都描述了交换节点。

的波形图2显示在开关节点上测量的开关电压和电感电流。电压波形以500kHz的速率在12V和略低于0V之间切换，在低纳秒范围内具有非常快的上升/下降时间。这个大的dV/dt产生了一个强电场(e场)，它有一个显著的噪声频谱，可达数十到数百MHz。

图2:Buck转换器的开关节点波形

由于降压变换器工作在连续传导模式，电感电流总是正的，永远不会达到0A。在降压变换器的开周期中，电流上升到约3.4A，在关周期中下降到约2.6A。电流的平均值为3A以提供负载。电感反对电流的快速变化，因此电流波形不像开关电压那样有尖锐的过渡边缘。尽管dI/dt不是很大，但在500kHz开关频率下，仍然存在具有强时变磁场(h场)的纹波电流。对于附近对这个频率范围敏感的电路来说，这个h场可能是一个潜在的问题。

最小化SW节点跟踪长度

开关节点的轨迹意味着携带一个相对大的时变电流在短距离。电感器应放置在非常接近的西南引脚上的调节器。短连接最大限度地减少了来自高dV/dt波形的高频e场耦合，以及来自电感纹波电流的低频h场耦合。

图3显示了如何通过将电感靠近调节器来布线开关节点。在设计PCB布局时，重要的是在转换器和电感之间为必须连接到SW节点的其他组件留出一小块区域(例如一个小型自举电容器)。这些组件的放置应该使SW轨迹的长度最小化。<

图3:4层PCB上3A Buck变换器的开关节点布局

图3显示自举电容器应放置，使其最长维度垂直于SW迹线。这减少了SW引脚和电感之间的额外长度。即使电容器将电感器略微推出，仍然有可能实现大约3mm到4mm的非常短的距离。VSW跟踪长度取决于应用程序和组件的大小，在某些情况下可能比本示例中显示的要长。

调整SW节点的当前大小

从调节器的SW引脚到电感输入端的连接通常比PCB上的其他信号走线更宽。建议创建一个宽的痕迹或铜倒，具有以下特点:

1. 使用足够的铜厚度和足够的痕迹宽度来处理当前的要求。
2. 保持尽可能短的长度，以减少与其他电路的近场耦合。

SW节点迹线的宽度对于处理提供给电感器的所需电流至关重要。对于我们的buck转换器的例子，平均电流传递到电感是相同的平均输出电流(3A)。设计工程师应指定最大电流条件，然后可用于估计SW节点的宽度。

对于我们的设计示例，假设一个4层PCB在顶部、底部和内层使用1oz铜(见图4)．开关稳压电路放置和布线在顶层，地(GND)回平面在顶层以下9.26mils(约10mils)。我们可以使用许多可用的计算器工具之一(可以在PCB CAD软件或PCB制造商的网站上找到)来适当地调整导体的电流大小。

图4:用于3A Buck变换器的4层堆叠

如果我们设计3A的最大负载，并尝试将PCB的温升限制在10°C，我们计算出50mil宽度可以容纳接近3.5A的4层堆叠。50mil交换节点宽度是这种设计的一个很好的目标，因为它提供了一些高于3A最大负载的裕度。根据PCB的允许温升，可以做出不同的权衡。虽然通常看到迹线大小与电感垫一样宽，但我们可以从这种情况下看到，较窄的迹线完全能够满足电流和热要求。

请注意，用于测量导体电流大小的计算器应该遵循最新的IPC2152标准，而不是旧的IPC2221标准。这对于多层pcb尤为重要。基于ipc2152的计算器更准确，并考虑诸如PCB厚度、PCB热导率、迹线厚度和迹线到铜平面的距离等因素。

SW节点e场和h场

开关节点迹线由参考平面上的PCB迹线组成，可以被视为微带线的显著缩短版本，特别是在高频时。具有可控阻抗的微带线用于数字、高速模拟和射频信号的高速传输线应用。188比分直播吧尽管开关节点和微带传输线的应用对188比分直播吧于它们所传导的预期信号是不同的，但它们的几何形状对于时变电场和磁场表现出相似的特性。

图5显示了开关电压和时变电流在SW迹线上的e场和h场。SW轨迹宽度(w)位于返回平面上方的高度(h)。通量的电场线从SW轨迹的顶部、底部和两侧延伸。最强的e场浓度，特别是在高频时，发生在轨迹的底部和边缘，它们靠近返回平面。

图5:交换节点E-Field & H-Field

在高频时，电流将出现在电场线在返回平面上终止的地方。为了更好地遏制e场，减少寄生近场耦合，最好尽量减小返回平面与SW迹线之间的距离(h)，并尽可能增加SW迹线与周围电路之间的距离。

SW迹线中的纹波电流在迹线周围产生随时间变化的h场。来自h场的磁通量可以通过电路的互感感应耦合到附近的敏感电路上。与e场类似，包含h场的最佳方法是通过最小化h使返回平面尽可能靠近SW迹线，同时增加SW迹线与周围电路之间的距离。在SW节点附近放置一个专用的GND返回平面是提供非常好的现场遏制的一个很好的方法。

结论

对于任何开关稳压器或功率变换器电路，SW节点的布局都需要认真考虑。重要的是了解SW节点波形，确定合理的SW迹线大小，并利用策略最小化近场耦合。

首先要充分了解开关电压波形、电流波形和开关频率。接下来，根据最大电流要求确定SW迹线宽度，然后最小化SW迹线长度。最后，允许SW节点、周围ic和电路之间有足够的间距，以最小化近场耦合。当使用多层PCB堆叠时，始终将GND返回平面直接放置在SW走线的下方，并确保走线尽可能靠近GND平面。这进一步减少了来自SW节点的E场和h场的近场耦合。

在设计PCB布局时遵循这些步骤将有助于实现更好的EMC设计!

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