DC/DC布局做對(duì)了EMI真的會(huì)好很多做硬件這些年我見過太多的EMI整改現(xiàn)場(chǎng)十有七八最后都繞回到同一個(gè)問題上——DC/DC的布局。很多同事一開始不信覺得芯片選型、開關(guān)頻率、電感參數(shù)才是決定EMI的關(guān)鍵布局只是把器件擺上去而已。直到他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里拿著近場(chǎng)探頭來回掃了三天最后把輸入電容挪近了1.5毫米輻射噪聲瞬間掉了6個(gè)dB才明白布局這事的含金量。這篇文章我打算把DC/DC布局和EMI之間那層窗戶紙捅破不講玄學(xué)只講電流路徑、環(huán)路面積、寄生參數(shù)這些實(shí)打?qū)嵉臇|西。適合正在畫板子但不太清楚為什么電容要貼著引腳放的硬件工程師也適合那些已經(jīng)有產(chǎn)品在整改、想從源頭解決問題的人?？赐炅四阒辽倌苁斋@三樣?xùn)|西識(shí)別高頻電流環(huán)路的能力、一套可以直接抄的布局順序、以及一整套排查EMI問題的實(shí)戰(zhàn)手法。1. 為什么同樣一顆芯片你的板子EMI超標(biāo)而別人的能過1.1 EMI的真正源頭不是開關(guān)頻率本身而是高頻電流很多剛?cè)胄械墓こ處熡袀€(gè)誤解覺得EMI是開關(guān)頻率引起的只要開關(guān)頻率低一點(diǎn)干擾就小了。這話只對(duì)了一半。開關(guān)頻率決定了噪聲的基頻位置但真正決定干擾強(qiáng)度的是電路里高頻電流的變化率di/dt和開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓跳變dv/dt。拿Buck電路來說高邊MOSFET一開一關(guān)流過電感的電流是連續(xù)的但流過輸入電容、開關(guān)管、續(xù)流管的電流是斷續(xù)的。這個(gè)斷續(xù)的電流里有非常大的di/dt分量峰值可達(dá)每微秒好幾安培的變化率。電流要流動(dòng)就必須走一個(gè)閉合回路而這個(gè)回路天然就是一個(gè)環(huán)形天線。回路面積越大天線的輻射效率就越高向外輻射的能量就越強(qiáng)。這就是為什么布局能左右EMI——你不改開關(guān)頻率不改芯片不改電感只把回路的面積縮小輻射量立刻下降。電流的路徑是layout工程師唯一能親手控制的變量別浪費(fèi)這個(gè)主動(dòng)權(quán)。1.2 布局如何決定噪聲的輻射效率環(huán)路的天線效應(yīng)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系來理解環(huán)路的輻射能力正比于回路面積乘以電流的變化率。面積縮一半輻射能量大概能降一半面積縮到1/10輻射就能下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。這里面沒有任何高深的理論純粹是電磁場(chǎng)的基礎(chǔ)規(guī)律——電流回路就是磁偶極子天線你把這個(gè)天線的口徑縮小了發(fā)射功率自然就小了。而實(shí)際布局中回路面積往往被下面的因素悄悄放大輸入電容放在離IC引腳遠(yuǎn)的地方、地平面被走線割開導(dǎo)致回流繞遠(yuǎn)、過孔過多導(dǎo)致電流在層間來回穿梭。每一個(gè)我都見過真實(shí)的翻車現(xiàn)場(chǎng)。最容易犯的錯(cuò)誤就是把輸入電容放在板邊或者按照美觀對(duì)齊擺放結(jié)果高頻電流跨過半個(gè)板子才回到源端回路成了一個(gè)巨大的輻射環(huán)。用生活里的例子類比一下從環(huán)路即天線這個(gè)角度看減小回路面積就像給家里WiFi路由器降低發(fā)射功率一樣——發(fā)射弱了干擾別人的能力自然就弱了。你不需要消滅噪聲源只需要讓它輻射不出去。1.3 先想電流再擺器件的布局順序我見過太多人了打開PCB工具就開始拖器件這個(gè)電容放這兒那個(gè)電阻放那兒擺完了再走線走不通了就換位置。這種方式對(duì)付低速數(shù)字電路可以對(duì)付DC/DC直接交學(xué)費(fèi)。正確的做法是畫板之前先閉眼三分鐘想清楚高頻電流走哪條路徑。具體操作是把Datasheet里的內(nèi)部框圖翻開把主要功率管和引腳捋一遍然后在心里或者紙上畫出Buck在開關(guān)周期內(nèi)兩種狀態(tài)下各自的電流回路。第一態(tài)是高邊導(dǎo)通電流從輸入電容正極出發(fā)經(jīng)過高邊管、電感到負(fù)載再經(jīng)負(fù)載回流到輸入電容負(fù)極第二態(tài)是低邊導(dǎo)通電感電流經(jīng)低邊管續(xù)流回到電感正端。這兩條回路之間共享的器件是電感和輸出電容而輸入電容則是第一態(tài)回路的核心。想清楚這兩條路徑后布局的所有約束都自然浮現(xiàn)了輸入電容要緊貼高邊管的漏極和低邊管的源極、電感和輸出電容的擺放要讓兩條回路的共同路徑盡量重疊、底層地平面要保持完整讓回流走直線。整套流程用文字寫出來好像很復(fù)雜實(shí)際操作非常快多練幾次畫板前花十分鐘足夠。這十分鐘換來的是后面不用拿著探頭反復(fù)整改性價(jià)比極高。2. 關(guān)鍵環(huán)路識(shí)別改布局之前先把三個(gè)高頻回路找出來2.1 開關(guān)回路輸入電容-高邊管-電感-輸出電容-低邊管講布局之前我們先把Buck電路最核心的高頻環(huán)路拆開看清楚。這個(gè)環(huán)路在芯片內(nèi)部是高邊管和低邊管的源漏極在芯片外部則表現(xiàn)為輸入電容、電感和輸出電容的連接點(diǎn)。要讓高頻電流以最短路徑、最小面積完成流動(dòng)核心在于讓輸入電容、高邊管、低邊管三者之間的物理距離無(wú)限逼近。這里有個(gè)概念值得單獨(dú)拿出來說熱回路。Buck電路里輸入電容、高邊MOSFET、低邊MOSFET構(gòu)成的這個(gè)三角形路徑是整個(gè)板子上電流變化最劇烈、頻率分量最豐富的地方所以工程上管它叫熱回路。所有布局規(guī)矩的本質(zhì)幾乎都是圍繞縮小這個(gè)熱回路展開的。電感雖然也在這個(gè)路徑上但電感本身就是個(gè)儲(chǔ)能器件高頻分量在它兩端并不明顯真正的熱集中在輸入電容和兩個(gè)開關(guān)管之間。減小熱回路面積的手段包括把輸入電容貼著IC的VIN和GND引腳放、盡量用0402或0603封裝的小電容獲得低等效串聯(lián)電感、在IC下方多用幾排地過孔打通頂層和底層地平面。這些操作的核心邏輯是一致的——給高頻電流提供一條盡可能短、盡可能粗、盡可能直連的回家路。2.2 柵極驅(qū)動(dòng)回路與自舉升壓回路第二個(gè)容易被忽略的回路是柵極驅(qū)動(dòng)回路。開關(guān)管的柵極驅(qū)動(dòng)需要瞬間灌入很大的電流來快速充放電這個(gè)驅(qū)動(dòng)電流的回路如果面積大了一樣會(huì)輻射。在集成度高的電源IC里驅(qū)動(dòng)器和開關(guān)管都封裝在一起這部分回路已經(jīng)在芯片內(nèi)部被優(yōu)化過了layout能操作的空間不大。但對(duì)分立方案或者控制器外置MOSFET的方案來說柵極驅(qū)動(dòng)回路的布局就全看你的本事了。柵極驅(qū)動(dòng)回路的要點(diǎn)是讓驅(qū)動(dòng)器的輸出引腳和開關(guān)管的柵極之間的走線盡量短、盡量寬同時(shí)讓開關(guān)管的源極和驅(qū)動(dòng)器的地參考點(diǎn)之間的走線也是短而粗。很多人畫柵極電阻的時(shí)候喜歡把電阻橫在驅(qū)動(dòng)器和柵極中間這沒問題但電阻的位置要靠近MOSFET的柵極而不是靠近驅(qū)動(dòng)器。常見的問題是驅(qū)動(dòng)回路的電流路徑和功率回路重疊過多導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)信號(hào)被功率噪聲污染柵極波形出現(xiàn)臺(tái)階和振鈴。自舉電容的回路也值得單獨(dú)關(guān)注。對(duì)高邊N溝道MOSFET來說自舉電容負(fù)責(zé)給高邊驅(qū)動(dòng)供電這個(gè)電容每次開關(guān)周期都會(huì)快速充放電。如果自舉電容離芯片的BST引腳和SW引腳太遠(yuǎn)走線電感會(huì)拖慢驅(qū)動(dòng)速度導(dǎo)致高邊管開關(guān)變慢、開關(guān)損耗變大、di/dt反而降低不了多少但dv/dt變得不可控。經(jīng)驗(yàn)值是把自舉電容放在IC引腳半徑5毫米范圍內(nèi)走線寬度不小于0.5毫米。2.3 反饋采樣路徑與輸出遠(yuǎn)端電容第三條需要注意的路徑不是功率回路而是反饋采樣路徑。很多人覺得反饋是微弱信號(hào)走線慢一點(diǎn)繞一點(diǎn)沒關(guān)系但實(shí)際上反饋節(jié)點(diǎn)是整個(gè)DC/DC系統(tǒng)里最敏感的地方。反饋?zhàn)呔€一旦貼近SW節(jié)點(diǎn)或者電感下方就會(huì)耦合上嚴(yán)重的開關(guān)噪聲導(dǎo)致輸出電壓紋波變大甚至引起環(huán)路不穩(wěn)定。反饋采樣有幾個(gè)鐵的規(guī)矩采樣點(diǎn)必須位于輸出電容的負(fù)載端而不是直接在電感引腳上取反饋?zhàn)呔€要采用細(xì)線從輸出端單獨(dú)拉回芯片F(xiàn)B引腳途中不要靠近任何開關(guān)節(jié)點(diǎn)和電感如果走線距離較長(zhǎng)最好在地平面層給她單獨(dú)包一層地形成一個(gè)偽屏蔽罩。這里有個(gè)容易被忽略的細(xì)節(jié)——反饋?zhàn)呔€的參考地也很關(guān)鍵。如果反饋?zhàn)呔€下面正好是高頻電流的回流路徑地平面上的噪聲會(huì)直接疊加在反饋信號(hào)上。所以遇到EMI和紋波同時(shí)超標(biāo)時(shí)先別急著調(diào)環(huán)路補(bǔ)償回頭看一眼反饋?zhàn)呔€。另外輸出端的遠(yuǎn)端電容布局也常常埋雷。很多人喜歡把輸出電容堆在一起放在電感的出口處結(jié)果電流都被本地電容濾掉了負(fù)載端的動(dòng)態(tài)響應(yīng)反而變差。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)做法是把輸出電容分兩組一組貼著IC的輸出引腳負(fù)責(zé)高頻去耦另一組放在負(fù)載附近負(fù)責(zé)抑制負(fù)載瞬態(tài)。這樣做不僅紋波好看EMI表現(xiàn)也會(huì)改善。3. 實(shí)操布局要點(diǎn)五個(gè)最容易出問題的地方3.1 輸入/輸出陶瓷電容離引腳越近越好——到底多近才算近這么多年我想過很多種說法來定義近這個(gè)字。說貼住引腳太含糊說幾個(gè)毫米太死板。我的判斷標(biāo)準(zhǔn)是輸入電容的焊盤邊緣到IC對(duì)應(yīng)引腳焊盤邊緣之間的距離最好小于1毫米如果因?yàn)橛凶呔€通道的要求最多放寬到2毫米再遠(yuǎn)就要認(rèn)真反思了。為什么一兩毫米的距離差距影響這么大因?yàn)檫@段距離上走線的等效串聯(lián)電感大約是每毫米1納亨?？雌饋砗苄〉哳l電流的阻抗等于2πfL在100MHz輻射頻段1nH的感抗大約是0.6歐姆聽起來還是小?？蓡栴}是這條走線是開關(guān)電流的必經(jīng)之路電流峰值能到好幾安培這么算下來走線上產(chǎn)生的振鈴電壓就是幾伏起步了。這還沒算走線自己就是一根輻射天線。實(shí)際操作中你還會(huì)遇到一個(gè)選擇優(yōu)先放輸入電容還是輸出電容答案是輸入電容永遠(yuǎn)最優(yōu)先。因?yàn)檩斎腚娙莪h(huán)路熱回路承載的電流變化率比輸出環(huán)路大得多對(duì)EMI的影響權(quán)重也高得多。如果一個(gè)IC有多個(gè)VIN引腳每個(gè)VIN引腳都要放一個(gè)高頻去耦電容不要指望用一個(gè)電容輻射多個(gè)引腳。這里再補(bǔ)充一個(gè)細(xì)節(jié)——電容封裝的選擇。相同容值下小封裝電容的等效串聯(lián)電感更小高頻特性更好。0402比0603好0603比0805好。對(duì)于DC/DC的輸入去耦0402或0603的10uF陶瓷電容是常見選擇特殊情況需要更大容值時(shí)用多個(gè)小封裝并聯(lián)比用一個(gè)大的更劃算。并聯(lián)還有額外的好處多個(gè)電容構(gòu)成的電容陣列等效ESR和ESL都會(huì)下降高頻性能更優(yōu)。3.2 過孔不是免費(fèi)的過孔的寄生電感和參考層斷裂有句話在電源layout圈子里流傳挺廣過孔是消耗品用起來不心疼。但那是針對(duì)低速信號(hào)的。在DC/DC電源回路里過孔帶來的寄生電感是實(shí)打?qū)嵰顿~的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過孔的寄生電感大約在0.5到1納亨之間比同等長(zhǎng)度走線的電感還要大。電流從頂層穿過過孔到底層再穿回來電感量翻倍不說還多了一段垂直輻射路徑。如果輸入電容的地必須經(jīng)過兩個(gè)過孔才能回到IC的地引腳實(shí)際等效環(huán)路面積可能比你想象的大上一倍。所以布局策略上要盡量減少功率回路上過孔的數(shù)量能同層就近連接就不要穿層。關(guān)于過孔還有一種更隱蔽的坑——參考平面斷裂。當(dāng)高頻電流需要在一個(gè)完整的地平面上回流時(shí)你在地平面上開了一條溝比如走線切斷或放置隔離帶回流電流就不得不繞道環(huán)路面積瞬間變大。我見過一個(gè)案例輸入電容的地過孔正好打在了一個(gè)被隔離帶分割的地區(qū)域里結(jié)果高頻電流繞了半個(gè)板子才找到回去的路傳導(dǎo)發(fā)射在80MHz附近直接超標(biāo)10個(gè)dB。所以布局檢查時(shí)有一個(gè)必做的動(dòng)作沿著熱回路的路徑在地平面上確認(rèn)回流路徑是否暢通。最好把地平面的銅箔盡量保持完整必要的時(shí)候?qū)幙勺呔€繞一點(diǎn)也不要在熱回路正下方切斷地平面。散熱焊盤區(qū)域如果是網(wǎng)格狀的也要確認(rèn)網(wǎng)格的地連接足夠密集避免回流電流擠在狹窄的銅條上。3.3 電感底下的鋪銅與磁場(chǎng)的交互電感的磁場(chǎng)是另一個(gè)容易被忽視的輻射源。功率電感本身有磁屏蔽但漏磁仍然存在漏磁會(huì)在附近的銅箔上感應(yīng)出渦流渦流又會(huì)產(chǎn)生新的磁場(chǎng)和損耗。很多人為了散熱在電感底下鋪了一大塊銅箔看起來很合理實(shí)際上卻是給渦流提供了舞臺(tái)。在電感正下方的地平面和銅箔處理上有兩種主流做法一種是完全鏤空不讓任何銅箔出現(xiàn)在電感正投影下方另一種是保留整塊地平面但確保電感與銅箔之間有足夠的距離。這兩種做法在不同頻段各有優(yōu)劣。鏤空的好處是徹底阻斷渦流路徑壞處是地平面被破開一塊回流路徑可能受阻保留銅箔的好處是地平面連續(xù)壞處是渦流損耗發(fā)熱。折中方案也很常用在電感投影區(qū)域內(nèi)打上密集的過孔到地平面讓感應(yīng)渦流直接被短路進(jìn)地而不是形成大環(huán)流。個(gè)人經(jīng)驗(yàn)是對(duì)于屏蔽式電感正下方保留地平面并打幾個(gè)過孔一般沒問題對(duì)于非屏蔽電感或者繞線電感盡量把周圍的敏感走線挪遠(yuǎn)一點(diǎn)至少留出2到3毫米的凈空。還有一個(gè)關(guān)于電感的經(jīng)典布局錯(cuò)誤是把電感橫著放還是豎著放。電感的磁場(chǎng)方向大致沿著磁芯的磁路方向如果你有兩個(gè)相近的電源通道兩個(gè)電感的磁場(chǎng)方向最好互相垂直避免磁耦合串?dāng)_。實(shí)際項(xiàng)目里見過兩路12V轉(zhuǎn)5V并排布局、電感平行放置導(dǎo)致互相干擾的先例把其中一個(gè)旋轉(zhuǎn)90度之后噪聲下降了3個(gè)dB左右。3.4 反饋?zhàn)呔€和敏感信號(hào)的處理反饋?zhàn)呔€的重要性前面已經(jīng)講過這里補(bǔ)充一些操作性很強(qiáng)的細(xì)節(jié)。反饋?zhàn)呔€的原則可以概括成三句話走細(xì)線、離得遠(yuǎn)、單獨(dú)走。走細(xì)線是為了減少走線本身的電容耦合面積離得遠(yuǎn)是為了避免靠近SW節(jié)點(diǎn)和電感單獨(dú)走是為了避免與其他敏感信號(hào)平行長(zhǎng)距離貼近。具體操作上反饋分壓電阻的位置也很有講究。把分壓電阻放在靠近FB引腳的地方而不是放在靠近輸出端的地方。這樣從輸出來到分壓點(diǎn)的是一段相對(duì)高壓的模擬信號(hào)從分壓點(diǎn)到FB引腳的則是微弱的采樣信號(hào)兩者之間不會(huì)互相污染。如果你用的是輸出電壓可調(diào)的模塊把反饋電阻放在靠近模塊引腳側(cè)會(huì)更容易調(diào)試。反饋?zhàn)呔€在底層走還是頂層走要看參考平面。在多層板中讓反饋?zhàn)呔€緊貼一層完整的地平面走是最好的這樣走線和地平面構(gòu)成微帶線結(jié)構(gòu)噪聲耦合面積最小。單雙層板的話盡量讓反饋?zhàn)呔€緊挨著地線走兩者并行也可以。另一個(gè)高頻噪聲容易入侵的路徑是軟啟動(dòng)引腳、使能引腳這類控制引腳。這些信號(hào)本身對(duì)噪聲不怎么敏感但如果走線正好從SW節(jié)點(diǎn)下方穿過就可能把噪聲耦合進(jìn)控制邏輯里。一個(gè)穩(wěn)妥的習(xí)慣是把DC/DC周圍2到3毫米范圍視為敏感禁區(qū)除了功率走線和必要的反饋?zhàn)呔€其他任何信號(hào)都不從這里穿越。3.5 散熱焊盤與EMI的平衡散熱焊盤和EMI是一對(duì)天生的矛盾。為了散熱你需要大面積鋪銅為了EMI你又希望高頻回路的面積盡量小。怎么平衡首先理解散熱焊盤在高頻電路里的角色。IC底部的散熱焊盤通常同時(shí)是GND引腳它既是發(fā)熱器的散熱通道也是高頻回流的關(guān)鍵路徑。從EMI角度看散熱焊盤下方的過孔陣列密度和組織方式直接影響回流效果。過孔越多等效阻抗越低回流越順暢但如果過孔排列成一條長(zhǎng)線而不是均勻陣列回流電流的分布就不均勻反而可能產(chǎn)生局部熱點(diǎn)和電磁泄漏。實(shí)操中比較推薦的方案是把散熱焊盤下方的地過孔排列成密集網(wǎng)格間距1毫米左右的陣列最佳。四周再加一圈稍大的過孔用于加強(qiáng)層間連接。過孔建議直接連接到內(nèi)層地平面或者底層地平面不要打盲孔——盲孔的工藝成本高而且等效電感不見得比通孔好。如果你有內(nèi)層地平面散熱焊盤下面打幾排通孔打通到內(nèi)層地是最好的選擇散熱和EMI都能兼顧。如果內(nèi)層沒有完整地平面有些低成本的四層板只有電源和地兩層完整平面至少保證散熱焊盤正下方對(duì)應(yīng)的內(nèi)層區(qū)域是地銅而不是被電源平面覆蓋。這里有個(gè)常見的坑有些人把散熱過孔打在電源銅箔和地銅箔交界的地方過孔連接兩個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)直接導(dǎo)致短路或回流方向錯(cuò)誤。4. 一個(gè)12V轉(zhuǎn)5V Buck的實(shí)測(cè)案例從超標(biāo)到過檢4.1 原始布局與問題現(xiàn)象說多了理論容易飄還是用一個(gè)我實(shí)際處理過的案例來講講布局改動(dòng)的全過程。這個(gè)項(xiàng)目的需求不復(fù)雜12V輸入轉(zhuǎn)5V輸出最大負(fù)載電流3A開關(guān)頻率400kHz四層板用的是某主流品牌的同步Buck控制器加外部MOSFET的方案。第一版樣機(jī)做出來后在實(shí)驗(yàn)室做預(yù)測(cè)試傳導(dǎo)發(fā)射在中頻段150kHz到1MHz表現(xiàn)還行但輻射發(fā)射在60MHz和120MHz附近有兩個(gè)明顯的尖峰分別超出CISPR 25汽車電子輻射限值大約8dB和12dB。用近場(chǎng)探頭掃了一遍板子發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)的輻射點(diǎn)集中在IC附近的輸入電容區(qū)和電感引腳處和預(yù)想的熱回路位置基本吻合。打開第一版的電路板設(shè)計(jì)文件問題一目了然輸入電容擺在了距離IC引腳大約6毫米的位置中間還隔了三個(gè)過孔換了兩次層開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線為了避開螺絲孔繞了一個(gè)大彎形成了明顯的銳角路徑底層的回流經(jīng)過的地平面被一條電源走線切斷了回流電流被迫繞行。用一句話概括熱回路面積大得離譜地平面完整性也很差。4.2 一步步改布局的過程改版的過程我按部就班做了四步每步都對(duì)應(yīng)一個(gè)明確的EMI改善目標(biāo)。第一步重新擺放輸入電容。把兩顆10uF/0402的陶瓷電容從原來6毫米遠(yuǎn)的位置挪到IC的VIN引腳正旁邊焊盤邊緣距離控制在1毫米以內(nèi)。同時(shí)把控制器芯片旋轉(zhuǎn)了90度讓功率管的源漏方向和輸入電容的擺放方向形成最短的直線。這一步在仿真和實(shí)測(cè)中都起到了立竿見影的效果60MHz頻點(diǎn)的尖峰降了4dB。第二步整理開關(guān)節(jié)點(diǎn)走線。原來SW節(jié)點(diǎn)繞彎走了底層改成從頂層直接走寬線2毫米寬然后通過兩個(gè)大過孔連接到電感的焊盤。SW節(jié)點(diǎn)是dv/dt強(qiáng)烈的節(jié)點(diǎn)走線盡量短、盡量寬本質(zhì)上就是減少走線電感讓振鈴的高頻能量少一些輻射路徑。這一步改完后120MHz附近的尖峰下降了3個(gè)dB。第三步修復(fù)地平面完整性。把分離地的電源走線改到了其他層讓底層和內(nèi)地層的GND銅箔恢復(fù)完整同時(shí)在輸入電容和IC散熱焊盤正下方補(bǔ)充了兩排過孔把熱回路區(qū)域的地平面縫合得更密實(shí)。這一步對(duì)整體底噪的貢獻(xiàn)最明顯60MHz到100MHz之間的本底噪聲整體下降了3到4個(gè)dB原來那些細(xì)碎的毛刺基本消失了。第四步給電感和SW節(jié)點(diǎn)加了錫吸收電路。在SW節(jié)點(diǎn)對(duì)地并聯(lián)了一個(gè)1納法的電容和4.7歐姆串聯(lián)電阻的RC吸收支路用來抑制開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的振鈴。雖然這不算嚴(yán)格的布局改動(dòng)但RC吸收支路的擺放位置也很講究——必須緊貼SW節(jié)點(diǎn)和GND引腳否則走線電感會(huì)讓RC支路的吸收效果大打折扣。4.3 不同頻段的噪聲對(duì)應(yīng)哪些布局問題表格通過這個(gè)案例和過往經(jīng)驗(yàn)我把輻射/傳導(dǎo)問題頻段和布局問題的對(duì)應(yīng)關(guān)系整理成了下面這個(gè)表格。直接拿它對(duì)照自己的板子能少走不少?gòu)澛?。問題頻段典型超標(biāo)形態(tài)最可能的布局原因檢查順序150kHz-1MHz傳導(dǎo)發(fā)射基頻奇次諧波超標(biāo)輸入電容容值不足、環(huán)路過大、反饋采樣點(diǎn)錯(cuò)誤1.輸入電容容值核對(duì) 2.熱回路面積檢查 3.反饋?zhàn)呔€路徑1MHz-10MHz傳導(dǎo)發(fā)射諧波包絡(luò)抬高輸出電容高頻特性差、回流路徑長(zhǎng)、地平面不完整1.輸出電容位置 2.地平面完整性 3.紋波疊加測(cè)試30MHz-100MHz輻射發(fā)射尖峰/包絡(luò)超標(biāo)熱回路過大、SW走線過長(zhǎng)、過孔數(shù)量過多1.近場(chǎng)探頭掃熱回路 2.開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴檢查 3.過孔位置優(yōu)化100MHz-300MHz輻射發(fā)射寬帶噪聲抬高電感漏磁干擾、地平面嚴(yán)重?cái)嗔选⑸岷副P過孔不合理1.電感方向和周圍凈空 2.地平面連續(xù)性 3.散熱過孔陣列密度這個(gè)表格不是萬(wàn)能的但每次測(cè)完發(fā)現(xiàn)問題后先照著表格過一遍布局往往能節(jié)省半天盲改時(shí)間。尤其是100MHz以上的高頻段如果板子布局沒有明顯問題還要考慮是不是機(jī)箱結(jié)構(gòu)、連接器走線、線纜耦合帶來的二次輻射別把所有鍋都甩給DC/DC。5. 常見問題與排查技巧拿示波器和近場(chǎng)探頭看哪里錯(cuò)了5.1 近場(chǎng)探頭快速定位噪聲源實(shí)驗(yàn)室里排查EMI最好用的工具組合是頻譜儀加近場(chǎng)探頭。近場(chǎng)探頭能告訴你噪聲在哪里輻射出來但要想知道這個(gè)輻射是從哪條電流路徑上出來的還需要配合頻譜儀的掃頻功能。實(shí)際操作手法上有一個(gè)要點(diǎn)探頭離板子的距離不同掃出來的熱點(diǎn)分布完全不一樣。探頭貼近板面1到2毫米以內(nèi)掃到的是近場(chǎng)電場(chǎng)分量能反映具體引腳周圍的局部噪聲探頭抬高到5毫米以上掃到的則是更宏觀的輻射場(chǎng)分布反映的是整體環(huán)路天線的效果。建議先用高位置大范圍掃一遍找到主要輻射區(qū)再降下來定點(diǎn)精掃兩層信息結(jié)合判斷。定位到熱點(diǎn)之后還有一個(gè)經(jīng)典的對(duì)照實(shí)驗(yàn)用手或一塊銅箔膠帶輕輕觸摸可疑位置觀察頻譜儀的讀數(shù)變化。如果手摸上去噪聲明顯下降說明這個(gè)位置正好在輻射回路的天線饋電點(diǎn)附近如果噪聲沒反應(yīng)說明這個(gè)位置的輻射可能是遠(yuǎn)場(chǎng)耦合過來的實(shí)際源頭在別處。這個(gè)方法雖然原始但在實(shí)驗(yàn)室里極其好用。5.2 示波器看SW節(jié)點(diǎn)振鈴輻射超標(biāo)如果鎖定在某個(gè)頻點(diǎn)比如100MHz那十有八九是SW節(jié)點(diǎn)的振鈴頻率落在100MHz附近。用示波器探頭直接測(cè)SW節(jié)點(diǎn)對(duì)地波形你會(huì)在開關(guān)邊沿看到一串阻尼振蕩振蕩頻率就是振鈴頻率。這個(gè)頻率通常由開關(guān)管寄生電容、走線電感和RC吸收網(wǎng)絡(luò)共同決定但layout是最容易下手調(diào)整的一環(huán)。測(cè)量SW節(jié)點(diǎn)波形有一個(gè)特別容易犯的錯(cuò)誤——用普通探頭直接夾在SW引腳上測(cè)。探頭的接地夾本身是根長(zhǎng)線它會(huì)引入額外的電感和天線效應(yīng)測(cè)出來的振鈴波形可能比實(shí)際更嚴(yán)重。正確做法是用探頭尖端和接地彈簧接觸測(cè)量或者用一個(gè)短線接地環(huán)。如果你發(fā)現(xiàn)測(cè)出來的振鈴波形幅度超過SW電壓的20%就要考慮優(yōu)化布局來降低走線電感了。定位到振鈴之后要不要加RC吸收電路要權(quán)衡一下。RC吸收的好處是簡(jiǎn)單直接缺點(diǎn)是每開關(guān)周期都在消耗功率效率會(huì)下降一點(diǎn)。布局已經(jīng)優(yōu)化到位的板子往往振鈴已經(jīng)不嚴(yán)重了加不加RC都無(wú)所謂布局差的板子RC吸收只能算堵漏措施治標(biāo)不治本。5.3 排查清單速查表給新手整理一份布局EMI排查清單每次改板自查時(shí)直接用效果很好1.輸入電容是否緊貼IC的VIN和GND引腳距離是否小于2毫米高頻去耦電容是否每個(gè)電源引腳一組 2.熱回路輸入電容-高邊管-低邊管圍成的面積是否達(dá)到最小有沒有辦法把器件旋轉(zhuǎn)或挪位來縮小面積 3.SW節(jié)點(diǎn)走線是否盡量短、盡量寬有沒有繞彎、銳角、跨層 4.地平面是否完整熱回路正下方有沒有斷裂、溝槽、隔離帶 5.反饋?zhàn)呔€是否遠(yuǎn)離SW和電感是否從輸出端單獨(dú)拉回參考地是否干凈 6.散熱焊盤過孔是否密集均勻過孔網(wǎng)絡(luò)是否與回流路徑一致 7.電感方向是否符合磁路正交原則電感周圍敏感信號(hào)凈空是否足夠 8.電源輸入端的共模電感是否靠近接口Y電容是否按安規(guī)要求連接這套清單看起來簡(jiǎn)單但每一條背后都對(duì)應(yīng)一個(gè)真實(shí)的翻車案例。如果你嚴(yán)格按照這個(gè)順序過一遍90%的DC/DC常見EMI問題都逃不掉。我自己在畫DC/DC部分時(shí)養(yǎng)成了一個(gè)習(xí)慣布局完成后先不急著連線把熱回路的高頻電流路徑用高亮標(biāo)注出來然后用眼睛沿著回路走一圈確認(rèn)每一步都能看到地平面。這個(gè)習(xí)慣幫我省下了無(wú)數(shù)次EMI整改的加班時(shí)間。布局這關(guān)過好了后面的調(diào)試和認(rèn)證都輕松很多。如果你手頭正好有DC/DC的板子要畫別急著拖器件先花十分鐘把電流回路想明白回報(bào)遠(yuǎn)比想象中大。