开关节点布局考虑EMC
开关式稳压器或电源转换器的开关节点电路是一个至关重要的传导路径,需要特别注意在设计PCB布局。这个电路节点就是一个或多个功率半导体开关(如场效应晶体管或二极管)连接到一个磁储能设备(比如一个电感或变压器绕组)。这个电路的开关信号节点包含快速交换dV / dt dI / dt电压和电流,可以很容易地夫妇到周围的电路和产生噪音问题,可以防止电路板和系统通过严格的电磁兼容性(EMC)要求。
本文将提供一个基本的复习学习开关节点波形,适当大小的交换(SW)跟踪PCB路由,并了解电的近场耦合效应和H-fields开关节点。
开关节点的波形
理解上的电流和电压波形开关节点的第一步准备这个关键的PCB设计跟踪。特别是,开关电压波形,时变电流,开关频率应该回顾和理解之前的布局。
考虑一个降压(巴克)转换器等MPQ4430(见图1)。这个设备从整体电力系统(MPS)整合高端和下部场效应晶体管,并能提供3.5的负载电流。
图1:MPQ4430 Buck变换器的例子
在这个例子中,它使用议员的DC / DC设计师在线工具MPQ4430监管机构旨在下台从12 v 3.3 v,同时提供3的最大负载。开关节点图1用红色标记甚短波。注意,“甚短波”和“西南节点”是本文中交替使用,和两个描述开关节点。
的波形图2显示切换开关节点电压和电感电流测量。12 v之间的电压波形开关的速度略低于0 v 500 khz,很快上升/下降次低纳秒范围内。这个大dV / dt创建一个强大的电场(左),这有很大的噪声频谱分成几十上百兆赫。
图2:波形的巴克转换器开关节点
自从巴克转换器运行在连续导电模式下,电感电流总是积极和从未达到0。当前加大到3.4在巴克转换器的周期,和2.6下降到周期。当前的平均价值供给负载。电感反对快速变化的电流,电流波形没有锋利的边缘过渡开关电压。尽管dI / dt不是很大,还有纹波电流与强大的时变磁场(磁场)500 khz切换频率。这个磁场可以附近的一个潜在问题敏感频率范围的电路。
最小化西南节点跟踪长度
开关节点跟踪用来传输一个相对较大的时变电流一段短距离的路。电感器应该非常接近SW销放在监管机构。短连接最小化耦合高频电从dV / dt波形,以及低频电感纹波电流的磁场。
图3显示了如何将开关节点路由通过电感器接近监管机构。在设计PCB布局时,重要的是留下一个小区域之间的转换器和电感的其他组件必须连接到西南节点(例如,一个小自举电容)。这些组件应放置,这样他们减少SW痕迹的长度。<
图3:开关节点布局3层PCB巴克转换器
图3显示了自举电容应放置以便其最长尺寸垂直于西南痕迹。这减少了额外的SW销之间的长度和电感。尽管电容器将略微感应了,仍有可能达到一个非常短的距离约3毫米到4毫米。甚短波跟踪长度变化取决于应用程序和组件的大小,和在某些情况下可能会超过这个例子所示。
上浆的西南节点电流
从监管机构的SW销连接电感器的输入端通常是比其他更广泛的跟踪信号PCB上的痕迹。建议创建一个广泛跟踪或铜倒有以下特点:
- 使用足够的铜厚度和宽度足够的跟踪处理当前的需求。
- 保持长度尽可能短,以减小近场耦合到其他电路。
西南节点跟踪的宽度是至关重要的处理所需的电感电流提供。为我们的buck变换器的例子中,平均电流送到电感是一样的平均输出电流(3)。设计工程师应该指定最大电流条件下,可以用来估计西南节点的宽度。
对于我们的设计示例,假设一个层PCB使用1盎司铜在顶部,底部,和内部层(见图4)。开关式稳压器电路放置和路由层,顶部和地面(接地)返回飞机9.26密耳(10毫升)低于顶层。我们可以用许多可用计算器工具之一(PCB CAD软件,或在PCB制造商的网站)适当大小的导体电流。
图4:3层分层盘旋飞行用于巴克转换器
如果我们设计一个3最大负载和试图限制PCB的温度上升到10°C,我们计算出一个可以容纳50毫升宽度接近3.5层分层盘旋飞行。50毫升开关节点宽度为这个设计是一个很好的目标,因为它提供了一些利润率高于最大负载。不同的权衡可以基于PCB的许用温度上升。虽然是很常见的大小一样大电感器的跟踪,从这里我们可以看出,一个窄跟踪完全有能力满足当前和热需求。
注意,计算器用于大小电流的导体应遵循最新IPC2152标准,而不是老IPC2221。这对多层多氯联苯是尤为重要的。IPC2152-based计算器更准确,考虑因素,如PCB厚度、PCB热导率、跟踪厚度,和距离跟踪铜飞机。
西南节点电和磁场
开关节点跟踪由PCB跟踪上面一个参考平面,并且可以被视为一个显著缩短版本的微带线,尤其是在高频率。与可控阻抗微带线中使用高速数字传输线应用,高速模拟和射频(RF)信号。188比分直播吧即使申请一个开关节点和微带传输线188比分直播吧对目标信号进行不同,他们的几何图形为时变电场和磁场表现出相似的属性。
图5显示了电和H-fields切换电压和SW跟踪时变电流。SW跟踪宽度(w)被放置在一个高度(h)回归平面。电通量线扩展从顶部,底部,西南的痕迹。最强之电场集中,尤其是在高频率,发生在底部的边缘跟踪,在靠近飞机返回。
图5:开关节点之电场与磁场
在高频率,电流将出现在电行终止返回的飞机上。更好地控制电,减少寄生近场耦合,最好减少返回平面之间的距离(h)和西南跟踪,并增加之间的距离SW跟踪及周边电路尽可能多。
西南的纹波电流跟踪创建一个时变磁场围绕着痕迹。磁场的磁通可以归纳夫妇到附近的敏感电路通过互感的电路。类似于电,包含磁场的最佳方法是返回飞机尽可能SW跟踪通过最小化h,同时增加之间的距离SW跟踪和周围的电路。专用接地返回平面放置接近西南节点是一个伟大的方法来提供很好的现场控制。
结论
对于任何开关式稳压器或功率变换器电路,西南节点的布局需要认真考虑。重要的是要理解西南节点波形,确定一个合理的SW跟踪大小,和利用策略来最小化近场耦合。
第一步是充分理解开关电压波形,电流波形和开关频率。接下来,基于最大电流确定SW跟踪宽度要求,然后最小化SW跟踪长度。最后,允许足够的西南节点之间的间距,周围电路,电路以减少近场耦合。当使用多层PCB分层盘旋飞行,总是能够返回飞机直属SW跟踪,并确保跟踪是尽可能接近接地平面。这进一步减少近场耦合的E -和H-fields西南节点。
以下步骤在设计PCB布局将帮助实现一个更好的EMC设计!
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