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上期回顧：汽車DCDC EMI（中）之芯片 EMI 優(yōu)化設(shè)計(jì)

本期內(nèi)容

各位“攻城獅”朋友們，前兩期我們分析了DCDC的EMI噪聲源，和怎樣選擇一顆EMI性能優(yōu)秀的DCDC，今天讓我們來(lái)繼續(xù)討論：汽車DCDC的系統(tǒng)EMI優(yōu)化。

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針對(duì)DCDC的系統(tǒng)EMI設(shè)計(jì)，通常需要從下面四個(gè)方向進(jìn)行考慮：

• 原理圖

• EMI濾波器

• PCB Layout

• 屏蔽罩設(shè)計(jì)

但DCDC原理圖、EMI濾波器和屏蔽罩的設(shè)計(jì)都相對(duì)比較單一，并且有跡可循，而 PCB的 Layout 則非?？简?yàn)工程師對(duì)EMI的理解。

本期我們會(huì)來(lái)重點(diǎn)介紹DCDC的 PCB Layout，前面的電源小課堂，我們講了，共模噪聲是由高頻電流環(huán) di/dt 和開關(guān)節(jié)點(diǎn)dv/dt 產(chǎn)生的。

針對(duì) di/dt 的優(yōu)化

這里我們還是以 Buck 為例，Buck的高頻電流環(huán) di/dt 會(huì)產(chǎn)生共模噪聲，這個(gè)環(huán)路是由輸入電容和兩個(gè)開關(guān)管組成的區(qū)域，這個(gè)環(huán)路的大小，甚至?xí)苯佑绊慐MI是否可以通過(guò)，所以針對(duì)Buck的Layout首先就是要找到這個(gè)高頻環(huán)路，然后盡量去縮小它。

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《汽車DCDC EMI （上）之噪聲源分析》

圖1

我們拿常用的同步集成 MOSFET，和非同步集成MOSFET兩種 Buck 舉例。

同步的MPQ4572，因?yàn)檫@個(gè)芯片設(shè)計(jì)的時(shí)候就考慮了EMI, 刻意將VIN和GND臨近設(shè)計(jì), 如下圖：

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圖2

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圖3

所以layout時(shí)，只需要將輸入電容盡可能的靠近芯片Vin和GND管腳，高頻環(huán)路就很容易做到很小。

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圖4

然后MPQ4572整體布局如上圖所示，Layout非常容易將高頻電流環(huán)路做到很小，所以選擇一個(gè)管腳分布好的芯片，優(yōu)化高頻環(huán)路難度將大大降低。

但是很多時(shí)候，會(huì)用到非同步的方案，這個(gè)時(shí)候高頻環(huán)路很容易搞錯(cuò)。例如MPQ2451，芯片只集成了一個(gè)MOSFET， 外部還有一個(gè)續(xù)流二極管。

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圖5

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圖6

這時(shí)，首先還是需要找到高頻環(huán)路，即輸入電容，MOSFET和續(xù)流二極管組成的環(huán)路。布局時(shí)需要將這三個(gè)器件靠近，保證Vin->SW->D1->C1 組成的高頻環(huán)路面積最小。MPQ2451非同步的Buck的整體布局如圖所示，是一個(gè)比較理想的布局。

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圖7

注意，非同步的Buck，很容易將高頻電容C1擺到下面這個(gè)位置，這個(gè)時(shí)候高頻環(huán)路面積將大幅度增加：

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圖8

針對(duì) dv/dt 的優(yōu)化

針對(duì)dv/dt的噪聲，有沒有辦法通過(guò)Layout來(lái)減小呢？其實(shí)也是有的。dv/dt 的共模噪聲，會(huì)跟開關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)大地的寄生電容Cp有關(guān)， 這個(gè)寄生電容越大，dv/dt 產(chǎn)生的共模噪聲就越大，越容易產(chǎn)生EMI問題。

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《汽車電子DCDC芯片的EMI優(yōu)化設(shè)計(jì)》

圖9

在PCB Layout時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的面積會(huì)對(duì)寄生電容產(chǎn)生影響，SW面積越大，SW節(jié)點(diǎn)寄生電容就越大，所以Layout時(shí)需要將SW的面積盡可能的做小。

圖10

PCB Layout 鋪地設(shè)計(jì)

那么高頻環(huán)路和開關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積都做到優(yōu)化后，是不是EMI性能就一定很好呢？

答案是否定的，做到這兩點(diǎn)是前置條件，設(shè)計(jì)Layout時(shí)還需要考慮整體的布局和鋪地的設(shè)計(jì)。這里我們拿一個(gè)常用的長(zhǎng)方形外形結(jié)構(gòu)來(lái)看，線束和接插件在左邊，考慮一個(gè)四層板的設(shè)計(jì)。

第一層，

DCDC最小系統(tǒng)和濾波器可以放在同一層，DCDC要遠(yuǎn)離接插件，輸入濾波器盡量靠近接插件，并且遠(yuǎn)離DCDC，如果有條件的話，可以將濾波器放在板子背面。

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《汽車電子電源設(shè)計(jì)及EMI精講》

圖11

DCDC遠(yuǎn)離輸入連接器和濾波器，是為了避免DCDC 近場(chǎng)磁場(chǎng)干擾濾波器，甚至直接耦合到輸入線束上產(chǎn)生EMI問題。

整體的布局設(shè)計(jì)好后，需要考慮鋪地的設(shè)計(jì)了。在第一層的鋪地設(shè)計(jì)，我們建議DCDC最小系統(tǒng)的地不要跟板子大地直接鋪滿，用禁止布線的虛線隔開，因?yàn)镈CDC的地比較臟，直接大面積鋪地，可能會(huì)干擾板子的整個(gè)地， DCDC 的地則可以通過(guò)過(guò)孔連接到下面的地。

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《汽車電子電源設(shè)計(jì)及EMI精講》

圖12

第二層，

第二層的鋪地非常重要，我們叫屏蔽地，這一層地建議用完整的地，盡量不要走線。這是因?yàn)?，雖然DCDC高頻環(huán)路已經(jīng)優(yōu)化到最小，但還是會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。

第二層完整的地，會(huì)由于渦流效應(yīng)產(chǎn)生相反的電磁場(chǎng)，可以抵消高頻環(huán)路電磁場(chǎng)，從而減小高頻磁場(chǎng)對(duì)外耦合的可能性。

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《汽車電子電源設(shè)計(jì)及EMI精講》

圖13

第三層，

這一層可以走一些線，例如一些信號(hào)線，和輸入輸出的走線。

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《揭開DCDC EMI中Layout的“神秘面紗”》

圖14

第四層，

同樣建議用完整的GND，因?yàn)榈谌龑佑幸恍┳呔€可能會(huì)有噪聲，這一層完整的GND可以起到一定的屏蔽作用。

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《揭開DCDCEMI中Layout的“神秘面紗”》

圖15

綜合以上的布局，從源頭上，減小了di/dt，dv/dt，避免了近場(chǎng)的磁場(chǎng)耦合，同時(shí)也可以利用屏蔽地來(lái)減小di/dt。

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通過(guò)以上的電源小課堂，相信大家對(duì)DCDC 的EMI 系統(tǒng)設(shè)計(jì)特別是Layout的設(shè)計(jì)有了一定的理解。

那么，到目前為止，我們?nèi)卺槍?duì)DCDC EMI的小課堂就講完了，希望對(duì)大家針對(duì)DCDC的選型，以及EMI理解與應(yīng)用有所幫助。

更多關(guān)于電源的小知識(shí)，歡迎大家持續(xù)關(guān)注電源小課堂。

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汽車DCDC EMI（中）之芯片 EMI 優(yōu)化設(shè)計(jì)

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往期精彩回顧

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電源小課堂第四季第四話：汽車DCDC EMI（中）之芯片EMI優(yōu)化設(shè)計(jì)

電源小課堂第四季第三話：汽車DCDC EMI（上）之噪聲源分析

電源小課堂第四季第二話：乾坤大挪移 雙極性步進(jìn)電機(jī)如何應(yīng)對(duì)失步和堵轉(zhuǎn)問題（下篇）

電源小課堂第四季第一話：乾坤大挪移 雙極性步進(jìn)電機(jī)如何應(yīng)對(duì)失步和堵轉(zhuǎn)問題（上篇）

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