Q

“為什么我設(shè)計(jì)的電源通過(guò)了設(shè)計(jì)審核，卻沒(méi)有通過(guò)電磁兼容實(shí)驗(yàn)，或者在部署三個(gè)月后開(kāi)始出現(xiàn)熱節(jié)流？”

除了仿真設(shè)計(jì)外，還需關(guān)注要點(diǎn)：

在設(shè)計(jì)架構(gòu)時(shí)就應(yīng)考慮電磁干擾和熱管理問(wèn)題，而不是在布局后再加以補(bǔ)救。

決定電磁干擾水平的是電流環(huán)路，而不是原理圖，也不是物料清單。

在設(shè)計(jì)早期就將散熱考慮在內(nèi)，優(yōu)于在設(shè)計(jì)后期加裝散熱器。

仿真能在首次電路板流片前發(fā)現(xiàn) 80% 的問(wèn)題。

Q:

原本正常工作的電路板（直到出現(xiàn)問(wèn)題）

同事交付了一個(gè)通過(guò)了所有仿真平臺(tái)測(cè)試的電源。波形干凈，嚴(yán)格合規(guī)，效率參數(shù)甚至比產(chǎn)品手冊(cè)上的還要漂亮。

六周后，現(xiàn)場(chǎng)退貨接踵而至：設(shè)備會(huì)隨機(jī)關(guān)機(jī)，且完全找不到任何規(guī)律。

根本原因是一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管（MOSFET）的運(yùn)行溫度比預(yù)測(cè)高 15°C。不是因?yàn)橛?jì)算有誤——計(jì)算結(jié)果如教科書(shū)般完美，而是因?yàn)?strong>客戶機(jī)柜中的機(jī)箱氣流與設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)使用的開(kāi)放式測(cè)試臺(tái)條件完全不同。

原理圖是正確的，仿真也是正確的。真正的問(wèn)題在于架構(gòu)——發(fā)熱器件相對(duì)于氣流的位置、損耗在電源樹(shù)中的分布。

有一個(gè)令人頭疼的事實(shí)：從原理圖中看不出來(lái)散熱和電磁干擾問(wèn)題，它們隱藏在架構(gòu)決策中。而當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)時(shí)，更改架構(gòu)意味著要重新設(shè)計(jì)電路板。

為何仿真平臺(tái)測(cè)試結(jié)果不可靠

在測(cè)試平臺(tái)上，使用數(shù)字萬(wàn)用表和適度的負(fù)載，幾乎所有設(shè)備都顯示“運(yùn)行良好”。

真正的考驗(yàn)出現(xiàn)在以下情況：

外殼密封

環(huán)境溫度過(guò)高

多個(gè)電源軌同時(shí)切換

電纜將整潔有序的設(shè)計(jì)變成了天線陣列

突然，結(jié)點(diǎn)溫度飆升。電磁兼容（EMC）實(shí)驗(yàn)室給出了一份標(biāo)紅的報(bào)告，項(xiàng)目經(jīng)理也想知道為何項(xiàng)目進(jìn)度延遲了三周。

“測(cè)試臺(tái)運(yùn)行良好”與“生產(chǎn)中運(yùn)行良好”之間的差距，正是本文所要探討的問(wèn)題。

熱像儀對(duì)比：測(cè)試臺(tái)與部署環(huán)境之間有 30°C 的溫差

熱管理：

從架構(gòu)層面解決，而非依靠散熱器

一旦聽(tīng)到“我們稍后再解決散熱問(wèn)題”這種說(shuō)辭，項(xiàng)目的成本必定會(huì)變得昂貴。

電源中的實(shí)際熱源包括：

傳導(dǎo)損耗 - MOSFET、二極管、電感器、銅走線中的 I2R

開(kāi)關(guān)損耗 - 切換期間的電壓/電流重疊、柵極驅(qū)動(dòng)能量

磁性元件損耗 - 磁芯損耗加繞組銅損

控制器開(kāi)銷 - 柵極驅(qū)動(dòng)器、脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制器、輔助電源軌

架構(gòu)決定了這些損耗的集中位置。多相降壓轉(zhuǎn)換器將電流分散到多個(gè)器件中，同步整流將損耗從二極管轉(zhuǎn)移到 MOSFET（更易于散熱），拓?fù)浞桨笡Q定了峰值電流和有效值（RMS）電流的分布。

陷阱在于：由于不斷疊加產(chǎn)品特性（增加頻率以縮小磁性元件尺寸，采用更緊湊的布局以縮短走線），最終熱密度達(dá)到了機(jī)械團(tuán)隊(duì)根本無(wú)法解決的程度。

工程師與機(jī)械設(shè)計(jì)師爭(zhēng)論散熱器高度，而真正的問(wèn)題卻在于選擇了一個(gè)在 5mm ×6mm 方形扁平無(wú)引腳（QFN）封裝中集中了 8W 損耗的拓?fù)洹?strong>沒(méi)有任何散熱器的幾何形狀能優(yōu)雅地解決這個(gè)問(wèn)題。

電磁干擾：

電磁場(chǎng)跟隨電流，而非原理圖

電磁干擾不會(huì)遵循網(wǎng)表，而是遵循物理定律。

輻射發(fā)射由三個(gè)關(guān)鍵因素驅(qū)動(dòng)：高 di/dt 電流環(huán)路，例如開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)、整流器返回路徑和柵極驅(qū)動(dòng)電路中的環(huán)路；高 dv/dt 節(jié)點(diǎn)，如通過(guò)電容耦合到附近器件的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)；以及充當(dāng)天線的電纜，比如容易忽略的 18 英寸導(dǎo)線，會(huì)成為完美的寬帶輻射源。

早在布線之前，架構(gòu)選擇就已為電磁干擾創(chuàng)造了條件。其中包括一些決策：電源級(jí)相對(duì)于敏感模擬或射頻部分的位置，以及是否需要隔離，因?yàn)樽儔浩鲿?huì)產(chǎn)生共模噪聲路徑。此外，開(kāi)關(guān)頻率的選擇決定了諧波相對(duì)于合規(guī)限制落在何處，以及接地分區(qū)策略，無(wú)論是星型接地、平面接地還是分割地平面。

即便電源實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償且效率極高，仍然有可能出現(xiàn)嚴(yán)重的電磁兼容問(wèn)題。如果設(shè)計(jì)在器件放置時(shí)未考慮環(huán)路面積，也會(huì)無(wú)法通過(guò) FCC 測(cè)試。為此需要重新設(shè)計(jì)電路板，而不是簡(jiǎn)單調(diào)整濾波器就能解決。

原理圖中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的環(huán)路——EMC 實(shí)驗(yàn)室一定會(huì)發(fā)現(xiàn)。

熱管理實(shí)用設(shè)計(jì)指南

這些設(shè)計(jì)規(guī)則并非嚴(yán)格教條，但能真正防止因散熱問(wèn)題導(dǎo)致重新設(shè)計(jì)：

1

盡早為每個(gè)模塊設(shè)定損耗預(yù)算

在確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)前，先分配粗略的損耗預(yù)算：

主開(kāi)關(guān)：最大損耗 X 瓦

整流：最大損耗 Y 瓦

磁性元件：最大損耗 Z 瓦

通過(guò)快速計(jì)算和早期仿真，可以在繼續(xù)設(shè)計(jì)其他部分之前判斷這些數(shù)值是否可行。

2

盡可能分散熱量

為大電流軌使用多相轉(zhuǎn)換器。

發(fā)熱器件緊貼覆銅，并通過(guò)導(dǎo)熱路徑連接至機(jī)殼。

不要將所有高損耗器件集中放置在沒(méi)有氣流路徑的角落（這些器件會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，哪怕很少的氣流也能對(duì)散熱有很大幫助）。

3

針對(duì)最壞情況而非典型情況進(jìn)行設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)考慮最高環(huán)境溫度、老化降額、設(shè)計(jì)滿負(fù)載運(yùn)行。同時(shí)考慮所有這些因素，才是設(shè)計(jì)的要點(diǎn)；而不是僅 50% 負(fù)載的 25°C 測(cè)試臺(tái)環(huán)境。實(shí)際上，應(yīng)對(duì)負(fù)載進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試（例如，針對(duì) 2 安培的設(shè)計(jì)，測(cè)試 2.5 安培或 3 安培負(fù)載下的表現(xiàn)）。

4

在布局前與機(jī)械設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)溝通

機(jī)械限制優(yōu)先于 PCB 布局，甚至也要優(yōu)先于電氣工程設(shè)計(jì)。因此，要與團(tuán)隊(duì)共享功率損耗圖，而不僅僅是電氣原理圖。在你能自由布線的時(shí)候就聽(tīng)取熱工程師關(guān)于器件布局的意見(jiàn)。因?yàn)槿绻鹊讲季种?，你的選擇將僅限于“添加更大的散熱器”和“添加風(fēng)扇”——這兩種方法都不足夠有效，且可能無(wú)法解決核心問(wèn)題。我們不僅需要考慮 PCB 布局，還要關(guān)注電磁干擾（EMI）。

電磁干擾實(shí)用設(shè)計(jì)指南

許多工程師等到 PCB 布局階段才進(jìn)行 EMI 分析和仿真。但EMI 合規(guī)應(yīng)始于系統(tǒng)硬件框圖，而非布局審核。良好的 EMC 設(shè)計(jì)方法包括：

1

電路板分區(qū)

在框圖上標(biāo)記：

噪聲模塊（開(kāi)關(guān)電源級(jí)）

敏感模塊（模擬前端、射頻、精密參考源）

規(guī)劃 PCB 疊層和布局，讓各個(gè)模塊保持分離。這是架構(gòu)決策，而非布局細(xì)節(jié)。

2

從環(huán)路而非網(wǎng)絡(luò)的角度思考

每個(gè)高頻電流都有一個(gè)電磁場(chǎng)的返回路徑，該返回路徑加上輸出路徑形成一個(gè)環(huán)路。環(huán)路面積就是天線。在架構(gòu)層面最大限度縮小環(huán)路面積——從設(shè)計(jì)一開(kāi)始就要規(guī)劃好功率級(jí)下方的完整返回平面。

3

規(guī)劃隔離策略

對(duì)于隔離電源，盡早決定：

變壓器次級(jí)側(cè)相對(duì)于初級(jí)側(cè)返回路徑的參考點(diǎn)在哪里（如果有的話）？

Y 電容 （用于電磁干擾濾波和接地橋接）應(yīng)放置在哪里？

電纜屏蔽層如何連接到機(jī)箱？

4

頻率規(guī)劃不是可有可無(wú)

不要隨意選擇開(kāi)關(guān)頻率。應(yīng)考慮：

諧波相對(duì)于 FCC/CE 限制的落點(diǎn)

系統(tǒng)中存在的其他開(kāi)關(guān)電源和時(shí)鐘

對(duì)于多軌設(shè)計(jì)，錯(cuò)開(kāi)相位或頻率以避免電磁干擾頻譜中的疊加尖峰

當(dāng)組織規(guī)模擴(kuò)大時(shí)

這是中型公司最容易栽跟頭的地方 ——

從單一主打產(chǎn)品發(fā)展到產(chǎn)品組合后，不同團(tuán)隊(duì)在多個(gè)產(chǎn)品（SKU）中重用電源模塊，然而外殼變了，環(huán)境氣流變了，甚至電纜長(zhǎng)度也變了。

原本在一個(gè)產(chǎn)品上勉強(qiáng)過(guò)關(guān)的合規(guī)性問(wèn)題，開(kāi)始在其他產(chǎn)品中集體爆發(fā)。而那位深諳當(dāng)初布局細(xì)節(jié)的原委、知道為什么要那樣設(shè)計(jì)的資深工程師，已經(jīng)調(diào)到了另一個(gè)項(xiàng)目。核心技術(shù)沉淀就這樣隨人流失了。

為此，我們需要的是一個(gè)可重用的架構(gòu)手冊(cè)：

電源級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化疊層和布局規(guī)則

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電磁干擾濾波器模式和布局模板（非常適合設(shè)計(jì)重用和“放置-復(fù)制-創(chuàng)建”操作）

參考設(shè)計(jì)的溫度限值圖

這樣，工程經(jīng)理能夠快速批準(zhǔn)新設(shè)計(jì)，初級(jí)工程師無(wú)需積累二十年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，就能避免常見(jiàn)的散熱和電磁干擾陷阱。

現(xiàn)代工具真正的用武之地

以前的工作流程是：設(shè)計(jì)原理圖、電路板布局、投板、測(cè)試、發(fā)現(xiàn)散熱或電磁干擾問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)。重復(fù)此過(guò)程直至期限已到或預(yù)算耗盡。

新的工作流程包括事先評(píng)估這些條件。

在 Allegro X 環(huán)境中，你可以更早地解決這些問(wèn)題：

在設(shè)計(jì)早期使用 PSpice 進(jìn)行損耗估算

MOSFET、二極管、電感器中的 RMS 和峰值電流

預(yù)測(cè)電磁干擾行為的開(kāi)關(guān)波形

最壞情況下的占空比——而不僅僅是典型情況

結(jié)合 Sigrity X 使用 Allegro X 進(jìn)行電源完整性分析：

以可視化方式查看電流返回路徑并識(shí)別大環(huán)路區(qū)域

IR drop 分析，找出發(fā)熱集中之處

評(píng)估影響電磁干擾和熱分布的分割平面和縫合過(guò)孔

將最佳實(shí)踐設(shè)置為約束規(guī)則：

通過(guò)規(guī)則而非記憶來(lái)隔離噪聲環(huán)路和敏感走線

重用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的布局方案，而非為每個(gè)項(xiàng)目重新設(shè)計(jì)

目標(biāo)是從“在實(shí)驗(yàn)室中修復(fù)設(shè)計(jì)問(wèn)題”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩⒑弦?guī)性融入設(shè)計(jì)之中”。這正是中型組織在擴(kuò)展到企業(yè)級(jí)產(chǎn)品時(shí)所必需的理念。

快速參考：

不同架構(gòu)選擇對(duì)應(yīng)的散熱與電磁干擾影響

點(diǎn)擊大圖查看詳細(xì)內(nèi)容

核心要點(diǎn)

熱管理和電磁干擾問(wèn)題不能等到最后才去解決，而是從一開(kāi)始就要遵守的設(shè)計(jì)規(guī)則條件。

在框圖階段就考慮電流環(huán)路，有助于減少電磁兼容實(shí)驗(yàn)用時(shí)。在選擇器件之前就做好損耗預(yù)算，后續(xù)就無(wú)需與團(tuán)隊(duì)成員爭(zhēng)論散熱片的高度問(wèn)題。

原理圖設(shè)計(jì)體現(xiàn)了電氣意圖，而架構(gòu)（拓?fù)溥x擇、布局策略、接地原則、熱分布）決定了這一意圖能否在物理世界中得以實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)的目標(biāo)是讓設(shè)備在機(jī)箱環(huán)境中正常工作，而非測(cè)試臺(tái)。針對(duì)最壞情況而非典型情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)下一版 PCB 之前，務(wù)必先進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

這才是業(yè)界設(shè)計(jì)電源的方式：不是靠事后的調(diào)試救場(chǎng)，而是靠能預(yù)見(jiàn)問(wèn)題的架構(gòu)設(shè)計(jì)。