在高頻轉(zhuǎn)換器中如何保持信號(hào)完整性和降低EMI

DC-DC轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)各種電壓電平的高效電源轉(zhuǎn)換和供電，但是隨著需求的不斷上升，需要更高功率密度更高效率以及更小的尺寸，DC-DC轉(zhuǎn)換的PCB設(shè)計(jì)就更為重要了。下面說一說DC-DC轉(zhuǎn)換器PCB設(shè)計(jì)的一些要點(diǎn)：

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走線長(zhǎng)度

在高頻轉(zhuǎn)換器中，承載高速開關(guān)信號(hào)的走線長(zhǎng)度對(duì)于保持信號(hào)完整性和降低EMI至關(guān)重要。

較長(zhǎng)的走線可以充當(dāng)天線并輻射電磁能量，可能會(huì)對(duì)其他組件或電路造成干擾，此外，較長(zhǎng)的走線可能會(huì)引起延遲、信號(hào)反射、寄生效應(yīng)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器效率和穩(wěn)定性降低。

因此走線長(zhǎng)度應(yīng)該盡可能短，尤其是對(duì)于高速時(shí)鐘和數(shù)據(jù)時(shí)鐘，適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ浼夹g(shù)和受控阻抗走線可進(jìn)一步優(yōu)化信號(hào)傳輸并最大限度地減少信號(hào)衰減。

環(huán)路區(qū)域

環(huán)路區(qū)域是指PCB上的信號(hào)走線及其返回路徑形成的封閉區(qū)域，在DC-DC轉(zhuǎn)換器等高功率和高頻電路中，最小化環(huán)路面積對(duì)于降低輻射EMI至關(guān)重要。

越大的環(huán)路面積會(huì)導(dǎo)致更多的磁通量與環(huán)路耦合，從而導(dǎo)致更高的EMI。

最小化環(huán)路面積的主要措施是：通過將信號(hào)走線放置在靠近其返回路徑的位置(例如利用接地層/緊密間隔的電源層)來最小化環(huán)路面積。

器件選擇和電容擺放

在關(guān)鍵信號(hào)和電源線中添加鐵氧體磁珠和共模扼流圈等濾波器組件可以減弱傳導(dǎo)電磁干擾并防止進(jìn)一步傳播。連接濾波電容時(shí)，正確的位置對(duì)于濾除EMI至關(guān)重要。

濾波元器件應(yīng)該盡可能靠近DC-DC轉(zhuǎn)換器放置，在IC和有源元件的電源引腳附近正確放置去耦電容有助于抑制高頻噪聲并提高EMI性能。

去耦電容的放置

寄生電感

寄生電感是導(dǎo)電路徑(例如跡線/電線)的固有電感，取決于其物理尺寸和材料特性。在DC-DC轉(zhuǎn)換器等高頻電路中，路徑電感會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的效率和性能。

高寄生電感會(huì)導(dǎo)致電壓下降，開關(guān)損耗增加以及轉(zhuǎn)換器效率降低，還有可能導(dǎo)致電路中的電壓過沖和振鈴，影響信號(hào)完整性。

為了最大限度地減少寄生電感，PCB工程師可以使用更寬的走線，更短的路徑，或者利用專用的接地層/電源層為高電流/開關(guān)信號(hào)創(chuàng)建低電感返回路徑。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器接地環(huán)路的影響

在設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，PCB工程師必須要考慮電流環(huán)路并正確放置組件，這樣可以讓環(huán)路在物理上盡可能小。

DC-DC轉(zhuǎn)換器中的電流環(huán)路

接地環(huán)路過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致以下問題：

· 電磁干擾：接地環(huán)路可以充當(dāng)天線，導(dǎo)致EMI輻射到周圍環(huán)境中。

· 噪聲和信號(hào)衰減：流經(jīng)接地環(huán)路的電流會(huì)在不同接地點(diǎn)之間產(chǎn)生電壓差，可能會(huì)導(dǎo)致不需要的噪聲被引入敏感信號(hào)路徑，從而導(dǎo)致信號(hào)衰減和信噪比降低。

· 共模噪聲：接地環(huán)路可能導(dǎo)致共模噪聲耦合到敏感的模擬或數(shù)字電路中。這種噪聲會(huì)破壞信號(hào)精度，尤其是在低電平模擬測(cè)量或高速數(shù)字通信中。

· 寄生接地電流：循環(huán)電流可以在不同接地點(diǎn)之間流動(dòng)，從而導(dǎo)致寄生接地電流。寄生電流會(huì)產(chǎn)生電壓降并影響轉(zhuǎn)換器的性能，從而導(dǎo)致效率低下和潛在的熱問題。

· 接地反彈：接地環(huán)路可能會(huì)導(dǎo)致接地參考平面之間存在電壓差，從而導(dǎo)致接地反彈。接地反彈是指開關(guān)期間接地電壓的瞬態(tài)增加，這可能會(huì)破壞信號(hào)完整性并影響數(shù)字電路的正常運(yùn)行。

緩解措施

地平面：在PCB上使用堅(jiān)固的接地層可確保電流的低阻抗返回路徑，從而降低接地環(huán)路的風(fēng)險(xiǎn)。

地面分割：對(duì)不同功能塊或組件的接地層進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指羁梢苑乐菇拥仉娏飨嗷ジ蓴_。

將模擬地和數(shù)字地隔離：在物理上分離模擬和數(shù)字接地層可以防止敏感模擬電路和噪聲數(shù)字電路之間的干擾。

跟蹤路由：確保承載高電流或高頻信號(hào)的走線具有低電感返回路徑(例如，使用短而寬的走線或接地過孔)有助于最大限度地減少接地環(huán)路的可能性。

總結(jié)來說，走線長(zhǎng)度和環(huán)路面積是DC-DC轉(zhuǎn)換器(尤其是高頻開關(guān)轉(zhuǎn)換器)PCB設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。