開關(guān)模式電源(SMPS)產(chǎn)生的EMI輻射頻譜是由許多參數(shù)組成的函數(shù)，包括熱回路大小、開關(guān)速度(壓擺率)和頻率、輸入和輸出濾波、屏蔽、布局和接地。一個(gè)潛在的輻射源是開關(guān)節(jié)點(diǎn)，在很多原理圖上稱為SW。SW節(jié)點(diǎn)銅可用作天線，發(fā)射快速高效的高功率開關(guān)事件產(chǎn)生的噪聲。這是大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的主要輻射源。
頂層SW節(jié)點(diǎn)的銅量當(dāng)然應(yīng)該最小化，以限制天線尺寸。通過單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器(IC內(nèi)的電源開關(guān))，SW節(jié)點(diǎn)從IC一直到電感，并在頂層留下一個(gè)短走線。通過使用一個(gè)控制器(開關(guān)控制器IC外部的功率開關(guān))，SW節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)立于開關(guān)，遠(yuǎn)離IC。SW節(jié)點(diǎn)銅在降壓和升壓開關(guān)拓?fù)渲羞B接到電感的一側(cè)。由于涉及眾多性能參數(shù)，PCB的XY平面中或內(nèi)層上的第1層SW節(jié)點(diǎn)的布局很棘手(見圖1)。
圖1.DC3008A LT8386低EMI LED驅(qū)動(dòng)器上第1層的XY平面中突出顯示的SW節(jié)點(diǎn)
圖2.Coilcraft XAL電感上的白色條紋是短線圈引線的標(biāo)記，因?yàn)榫€圈引線不可見。
它表示端子和短引線的方向。在此連接高dv/dt以實(shí)現(xiàn)最低EMI。
電感幾何形狀
當(dāng)然，當(dāng)考慮電感端子時(shí)，SW節(jié)點(diǎn)還會(huì)垂直延伸(在Z平面中)。電感端子的垂直方向可能會(huì)增大SW節(jié)點(diǎn)的天線效應(yīng)和輻射。此外，內(nèi)部電感繞組可能不是對稱的。即使電感的對稱端子表明封裝中隱藏的是對稱結(jié)構(gòu)，但元件頂部的極性指示卻有另外的說法。圖2顯示了Coilcraft XAL電感系列的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)。扁平線繞組從元件底部開始，結(jié)束于頂部，因此在Z平面中，一個(gè)端子最終要比另一個(gè)端子短得多。
此外，側(cè)面有裸露SW節(jié)點(diǎn)的電感可能比具有屏蔽垂直金屬的電感更差，如圖3所示。電路板設(shè)計(jì)人員可以選擇垂直裸露端子最少的電感來減少EMI，但兩個(gè)電感端子的方向和對輻射的相對影響如何?
輻射反映真相
被測電路板的低輻射性能是IC輻射性能和布局考慮相結(jié)合的結(jié)果。即使采用低輻射單片IC，也必須慎重處理布局，同時(shí)還要考慮到關(guān)鍵輻射元件的安裝。為了證明這一點(diǎn)，我們考察了LT8386演示電路的主電感L1的方向?qū)﹄娐钒宓挠绊?見圖4)。在這種情況下，電感制造商Coilcraft規(guī)定元件上方標(biāo)記有白線的為XAL6060系列電感的短端子。EMI室中的標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25傳導(dǎo)發(fā)射(CE)和輻射發(fā)射(RE)測試表明，該電感的放置方向(見圖5)會(huì)嚴(yán)重影響性能。
圖3.不僅要注意方向，還應(yīng)注意EMI敏感設(shè)計(jì)上的電感端子類型
圖4.DC3008A LT8386低EMI LED驅(qū)動(dòng)器原理示意圖中突出顯示的SW節(jié)點(diǎn)。
將短邊端子放在方向1和方向2，比較完整輻射結(jié)果。
圖5.采用DC3008A LT8386 LED驅(qū)動(dòng)器的Coilcraft XAL6060-223MEB電感方向輻射測試。L1方向1(左)，短端子在SW節(jié)點(diǎn)上;L1方向2(右)，長端子在SW節(jié)點(diǎn)上。輻射結(jié)果如圖6至圖8所示。
圖6、圖7和圖8表明，DC3008A的輻射性能直接受到演示電路上L1方向的影響，其他元件沒有變化。具體而言，對于方向1——即短邊端子放在SW節(jié)點(diǎn)上，低頻RE(150 kHz至150 MHz)和FM頻段CE(70 MHz至108 MHz)具有較低EMI。AM頻段中的17 dBμV/m至20 dBμV/m差異無法被忽略。
并非所有電感“生而平等”。繞組方向、端子形狀、端子連接的形狀甚至芯材料可能不同。芯材料和結(jié)構(gòu)不同的磁場和電場的強(qiáng)度可能會(huì)起到改變電感輻射的作用。但是，本案例研究揭示了一個(gè)需要關(guān)注的方面，我們可以把它變成有利因素。
圖6.輻射發(fā)射表明，DC3008A上的電感方向?qū)Y(jié)果有重大影響。
短邊端子附著于SW節(jié)點(diǎn)以使SW天線最小(紅色)，輻射發(fā)射(RE)得到顯著改善。
圖7.電感的短邊端子附著于開關(guān)節(jié)點(diǎn)與另一種極性相比，電流探針方法傳導(dǎo)發(fā)射(CE)有所改善(>3 MHz)
圖8.電感的短邊端子附著于開關(guān)節(jié)點(diǎn)與另一種極性相比，電壓方法傳導(dǎo)發(fā)射(CE)有所改善(>3 MHz)
無極化指示的電感
如果電感制造商用絲網(wǎng)正面標(biāo)記或點(diǎn)指出內(nèi)部端子尺寸的不同，那么很容易確定方向。如果選擇此類電感中的一種用于設(shè)計(jì)，在PCB絲網(wǎng)上、安裝圖上甚至原理圖中做上標(biāo)記是明智的。遺憾的是，有些電感沒有極化或短端子指示。內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)可能接近對稱，或者可能存在已知的結(jié)構(gòu)差異。這里沒有任何惡意——制造商可能沒有意識(shí)到其產(chǎn)品中固有的這種特定安裝方向的區(qū)別。無論如何，我們建議在認(rèn)證的腔室中評(píng)估選定電感在兩個(gè)方向上的輻射，以確保高性能測量結(jié)果可重復(fù)。
有時(shí)候沒有外部標(biāo)記，電感的安裝方向不可避免是任意的，但因?yàn)槠渌麉?shù)，仍需要使用電感。例如，Würth Elektronik的WE-MAPI金屬合金電源電感尺寸很小，效率很高。其端子僅位于殼體的底部。每個(gè)元件的頂部WE徽標(biāo)附近都有一個(gè)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)手冊上并未將該點(diǎn)指定為繞組指示的起點(diǎn)(見圖9)。盡管最初這會(huì)引起一些混淆，但該元件具有相當(dāng)對稱的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)，兩個(gè)安裝方向的性能應(yīng)當(dāng)相同。因此，IC頂部的點(diǎn)不必在安裝絲網(wǎng)上指示出來。不過，如果用在EMI至關(guān)重要的電路中，在兩個(gè)方向上進(jìn)行測試以確認(rèn)性能是明智的。
另一示例：Würth WE-XHMI
我們用高性能Würth電感測試了DC3008A，封裝頂部上的點(diǎn)和數(shù)據(jù)手冊中指出了其繞組的起點(diǎn)(見圖10)。對于LT8386的外形尺寸和電流要求，74439346150 15μH電感非常適合。同樣，為了與Coilcraft進(jìn)行比較，我們在兩個(gè)方向上安裝該電感以進(jìn)行輻射測試(見圖11)。
結(jié)果(見圖12)類似于Coilcraft電感。輻射結(jié)果表明，電感的安裝方向?qū)椛溆兄@著影響。在這種情況下，圖11中的方向1顯然是最佳方向，輻射最低。方向1的較低頻率AM頻段(RE)和FM頻段(CE)輻射顯然更好。
圖9.WE-MAPI電感數(shù)據(jù)手冊未給出繞組起始點(diǎn)，不過元件頂部標(biāo)識(shí)上有一個(gè)繞組起始點(diǎn)。
這些電感可能沒有方向相關(guān)的輻射效應(yīng)，但應(yīng)通過測試確認(rèn)。
圖10.WE-XHMI系列電感的頂部標(biāo)識(shí)指明了繞組起始點(diǎn)
圖11. 采用DC3008A LT8386 LED驅(qū)動(dòng)器的Würth 74439346150(“WE 150”)電感方向輻射測試。L1方向1(左)，繞組的短端子起始點(diǎn)在SW節(jié)點(diǎn)上;L1方向2(右)，長端子在SW節(jié)點(diǎn)上。
輻射結(jié)果如圖12所示，表明繞組起始點(diǎn)應(yīng)連接到SW節(jié)點(diǎn)以獲得最佳效果。
雙開關(guān)節(jié)點(diǎn)降壓-升壓IC(結(jié)果待續(xù))
顯而易見，電感方向?qū)伍_關(guān)節(jié)點(diǎn)升壓LED驅(qū)動(dòng)器中的輻射有影響。我們可以假設(shè)升壓調(diào)節(jié)器的SW節(jié)點(diǎn)具有相同的特征輻射，因?yàn)殡妷赫{(diào)節(jié)器和LED驅(qū)動(dòng)電路中的功率轉(zhuǎn)換和開關(guān)元件相同。
我們還可以假設(shè)，為使電感端子的天線效應(yīng)最小化，降壓調(diào)節(jié)器具有類似的SW節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)。不過，由于降壓調(diào)節(jié)器的SW節(jié)點(diǎn)更靠近轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)，因此后續(xù)跟進(jìn)工作可能有助于確定電感方向在RE和CE區(qū)域的影響是否與升壓調(diào)節(jié)器相同。
對于雙開關(guān)節(jié)點(diǎn)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，則有一點(diǎn)進(jìn)退兩難。常用的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器(如LT8390 60 V同步4開關(guān)降壓-升壓控制器系列中的轉(zhuǎn)換器)具有重要的低EMI特性(如SSFM)和小型熱環(huán)架構(gòu)。單電感設(shè)計(jì)不能清楚地揭示電感方向?qū)椛涞挠绊憽Ｈ魧⒍潭俗臃旁谝粋€(gè)SW節(jié)點(diǎn)上，則長端子在另一個(gè)SW節(jié)點(diǎn)上會(huì)起到天線的作用。在這些設(shè)計(jì)中，哪個(gè)方向最好?當(dāng)所有四個(gè)開關(guān)在4開關(guān)工作區(qū)(VIN接近VOUT)中切換時(shí)，會(huì)發(fā)生什么?
我們將在未來的文章中探討這個(gè)問題——在不同電感方向測試帶兩個(gè)SW節(jié)點(diǎn)的4開關(guān)降壓-升壓型控制器的EMI。留給大家思考：對于此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也許有兩種以上的選擇，180°分開?
圖12.輻射和傳導(dǎo)發(fā)射表明，Würth 74439346150高性能電感的安裝方向?qū)椛浣Y(jié)果有重大影響
結(jié)論
開關(guān)穩(wěn)壓器中電感的安裝方向很重要。測量輻射時(shí)，應(yīng)注意電感方向及其可重復(fù)性——知道所選電感在這些方面有何區(qū)別，在兩個(gè)方向上進(jìn)行測試，并且如果無法確定方向，應(yīng)將可能有的安裝陷阱清楚地告知電路板生產(chǎn)部門。可能只需要將電感旋轉(zhuǎn)180°就能改善輻射。
作者簡介
Keith Szolusha是ADI公司應(yīng)用總監(jiān)，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。自2000年起，Keith任職于BBI電源部，重點(diǎn)關(guān)注升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，同時(shí)還管理電源產(chǎn)品的EMI室。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院(MIT)，1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專攻技術(shù)寫作。
Gengyao Li是電源產(chǎn)品部應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于加利福尼亞州圣克拉拉市。她主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和評(píng)估DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動(dòng)器。Gengyao于2017年獲得美國俄亥俄州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。
Frank Wang獲得德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校電氣工程碩士學(xué)位，在加入ADI公司之前，曾在一家獨(dú)立認(rèn)證的合規(guī)實(shí)驗(yàn)室工作。他曾擔(dān)任EMC/EMI測試工程師和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，擁有四年相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)。Frank在標(biāo)準(zhǔn)測試、時(shí)間表安排、工程調(diào)試、測試儀器校準(zhǔn)和煙室維護(hù)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。
