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汽車DCDC EMI(下)系統 EMI 優化

MPS芯源系統 ? 來源:未知 ? 2023-08-25 12:10 ? 次閱讀
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上期回顧:汽車DCDC EMI(中)之芯片 EMI 優化設計

本期內容

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性能優秀的DCDC,今天讓我們來繼續討論:汽車DCDC的系統EMI優化。

觀看視頻
頻文字部分

針對DCDC的系統EMI設計,通常需要從下面四個方向進行考慮:

但DCDC原理圖、EMI濾波器和屏蔽罩的設計都相對比較單一,并且有跡可循,而 PCB的 Layout 則非常考驗工程師對EMI的理解。

本期我們會來重點介紹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 di/dt 和開關節點dv/dt 產生的。

針對 di/dt 的優化

這里我們還是以 Buck 為例,Buck的高頻電流環 di/dt 會產生共模噪聲,這個環路是由輸入電容和兩個開關管組成的區域,這個環路的大小,甚至會直接影響EMI是否可以通過,所以針對Buck的Layout首先就是要找到這個高頻環路,然后盡量去縮小它。

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《汽車DCDC EMI (上)之噪聲源分析》

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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,因為這個芯片設計的時候就考慮了EMI, 刻意將VIN和GND臨近設計, 如下圖:

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圖2

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圖3

所以layout時,只需要將輸入電容盡可能的靠近芯片Vin和GND管腳,高頻環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路做到很小,所以選擇一個管腳分布好的芯片,優化高頻環路難度將大大降低。

但是很多時候,會用到非同步的方案,這個時候高頻環路很容易搞錯。例如MPQ2451,芯片只集成了一個MOSFET, 外部還有一個續流二極管

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圖5

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圖6

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

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圖7

注意,非同步的Buck,很容易將高頻電容C1擺到下面這個位置,這個時候高頻環路面積將大幅度增加:

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圖8

針對 dv/dt 的優化

針對dv/dt的噪聲,有沒有辦法通過Layout來減小呢?其實也是有的。dv/dt 的共模噪聲,會跟開關節點對大地的寄生電容Cp有關, 這個寄生電容越大,dv/dt 產生的共模噪聲就越大,越容易產生EMI問題。

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汽車電子DCDC芯片的EMI優化設計》

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圖9

在PCB Layout時,開關節點SW的面積會對寄生電容產生影響,SW面積越大,SW節點寄生電容就越大,所以Layout時需要將SW的面積盡可能的做小。

wKgZomToSjKAMLi-AAQapPEQA74521.png圖10

PCB Layout 鋪地設計

那么高頻環路和開關節點的面積都做到優化后,是不是EMI性能就一定很好呢?

答案是否定的,做到這兩點是前置條件,設計Layout時還需要考慮整體的布局和鋪地的設計。這里我們拿一個常用的長方形外形結構來看,線束和接插件在左邊,考慮一個四層板的設計。

第一層,

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

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《汽車電子電源設計及EMI精講》

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圖11

DCDC遠離輸入連接器和濾波器,是為了避免DCDC 近場磁場干擾濾波器,甚至直接耦合到輸入線束上產生EMI問題。

整體的布局設計好后,需要考慮鋪地的設計了。在第一層的鋪地設計,我們建議DCDC最小系統的地不要跟板子大地直接鋪滿,用禁止布線的虛線隔開,因為DCDC的地比較臟,直接大面積鋪地,可能會干擾板子的整個地, DCDC 的地則可以通過過孔連接到下面的地。

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《汽車電子電源設計及EMI精講》

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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。這是因為,雖然DCDC高頻環路已經優化到最小,但還是會產生磁場。

第二層完整的地,會由于渦流效應產生相反的電磁場,可以抵消高頻環路電磁場,從而減小高頻磁場對外耦合的可能性。

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《汽車電子電源設計及EMI精講》

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圖13

第三層,

這一層可以走一些線,例如一些信號線,和輸入輸出的走線。

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《揭開DCDC EMI中Layout的“神秘面紗”》

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圖14

第四層,

同樣建議用完整的GND,因為第三層有一些走線可能會有噪聲,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”》

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圖15

綜合以上的布局,從源頭上,減小了di/dt,dv/dt,避免了近場的磁場耦合,同時也可以利用屏蔽地來減小di/dt。

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通過以上的電源小課堂,相信大家對DCDC 的EMI 系統設計特別是Layout的設計有了一定的理解。

那么,到目前為止,我們三期針對DCDC EMI的小課堂就講完了,希望對大家針對DCDC的選型,以及EMI理解與應用有所幫助。

更多關于電源的小知識,歡迎大家持續關注電源小課堂。

點擊圖片進入小程序,觀看上一期電源小課堂視頻

汽車DCDC EMI(中)之芯片 EMI 優化設計

END

往期精彩回顧

電源小課堂第四季第四話:汽車DCDC EMI(中)之芯片EMI優化設計

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 雙極性步進電機如何應對失步和堵轉問題(下篇)

電源小課堂第四季第一話:乾坤大挪移 雙極性步進電機如何應對失步和堵轉問題(上篇)

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