電感下方要鋪銅嗎?

每個(gè)開關(guān)電源都是一個(gè)寬帶噪聲源。因此，將汽車電路板網(wǎng)絡(luò)中的DC/DC 變換器集成到汽車控制單元中，同時(shí)仍然滿足汽車原始設(shè)備制造商（OEM） 的 emc 要求，是一項(xiàng)很艱巨的任務(wù)。
通常，來自 DC/DC 變換器和其他高速電路的噪聲會(huì)通過所連接的電纜輻射，這些電纜為噪聲提供了有效的天線路徑。為了阻斷這種潛在的輻射路徑，需要在每個(gè)電纜連接點(diǎn)都設(shè)置濾波器電路。但是，只有當(dāng)噪聲源的 H場(chǎng)或 E 場(chǎng)沒有耦合到濾波器組件或電纜中時(shí)，濾波才會(huì)有效。
在近場(chǎng)環(huán)境中，場(chǎng)強(qiáng)的下降與距離平方的倒數(shù) (1/d2) 成正比。因此，噪聲源、濾波器組件和連接器之間需要保持一定的最小距離。
但實(shí)際上，PCB 尺寸和電纜連接器的位置通常取決于機(jī)械空間的大小。而且，在 PCB 的某些區(qū)域，元件的最大高度可能非常有限，或者也有可能無法進(jìn)行雙面組裝。這些硬件條件的限制要求設(shè)計(jì)人員在決定元件位置和 PCB 布局時(shí)要非常謹(jǐn)慎，尤其是在汽車制造等高度監(jiān)管的行業(yè)中。
布局規(guī)劃
為避免DC/DC 變換器的電場(chǎng)和磁場(chǎng)被直接耦合到連接器和電纜中，電路必須盡可能遠(yuǎn)離 PCB 連接點(diǎn)（見圖 1）。


圖1: 噪聲源應(yīng)盡量遠(yuǎn)離連接器和電纜只有距離或額外的屏蔽才能將 EMC 濾波器、連接器和電纜的場(chǎng)強(qiáng)降低到必要的水平，而屏蔽可以代替距離。
最好的方法是采用至少4層、雙面組裝的 PCB，并將DC/DC 電路和濾波器組件放在電路板相對(duì)的兩側(cè)。而且，至少有一個(gè)內(nèi)部板層為完整的接地層，以最大可能地減少從噪聲源到濾波器電路的交叉耦合。
如果因?yàn)橄到y(tǒng)限制，DC/DC 電路必須靠近連接器，則必須在設(shè)計(jì)初期即考慮有效的屏蔽。散熱器有時(shí)也可以用來屏蔽。理想情況下，電感、內(nèi)置功率 MOSFET 的 DC/DC IC 及其去耦電容都應(yīng)被屏蔽。
PCB布局指南
在降壓變換器中，主要的場(chǎng)源包括：
- 由兩個(gè)電源開關(guān)和 CIN形成的高 di/dt 環(huán)路（熱環(huán)路），它輻射出寬帶磁場(chǎng)
- 功率 FET 和電感之間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)，具有強(qiáng)電場(chǎng)輻射
- 輻射電場(chǎng)和磁場(chǎng)的電感
交流磁場(chǎng)可以被能夠感應(yīng)渦流的固體金屬區(qū)域屏蔽。而銅因其高導(dǎo)電性即為非常有效的屏蔽材質(zhì)。在PCB 上，返回固定電位的電位差路徑中的任何導(dǎo)體都可以有效屏蔽電場(chǎng)輻射。
任何高 di/dt 環(huán)路都會(huì)輻射出與環(huán)路面積和電流幅度成比例的磁場(chǎng)。將輸入電容放置在靠近兩個(gè)電源開關(guān)的位置，并采用低阻抗連接，可以最大限度地減小天線環(huán)路面積。
為進(jìn)一步減少該環(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可以在電源開關(guān)處對(duì)稱放置兩組電容。理想情況下，這樣可以將兩個(gè)環(huán)路中的峰值電流降低一半，從而將 H 場(chǎng)降低 6dB。如果兩個(gè)環(huán)路的方向相反，更將進(jìn)一步降低輻射的H磁場(chǎng)。(1)
在DC/DC電路的下一層、間距小于100μm的位置應(yīng)布置完整的GND區(qū)域。在這個(gè)鋪銅區(qū)域中，流經(jīng)電路元件和 PCB 跡線的高 di/dt 電流會(huì)產(chǎn)生渦流。渦流與元件側(cè)的原始電流方向相反，兩個(gè)磁場(chǎng)將相互抵消。如果渦流能夠在最短距離內(nèi)對(duì)元件側(cè)的高 di/dt 環(huán)路電流進(jìn)行鏡像，則效果最佳。
在超導(dǎo)、零距離和兩個(gè)環(huán)路形狀完全匹配的理想情況下，PCB 元件側(cè)的 H 場(chǎng)輻射將被渦流的 H 場(chǎng)完全抵消。
由于DC/DC 電路下方的 GND 鋪銅區(qū)域有阻抗，因此高 di/dt 渦流會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，并讓該區(qū)域產(chǎn)生噪聲。這個(gè)高噪聲的 GND 區(qū)域必須與系統(tǒng) GND 區(qū)域分開，尤其要與濾波器和連接器的任何 GND 參考區(qū)域隔離。在多層 PCB 中，可以分別布局各層，并通過層間的通孔阻抗來實(shí)現(xiàn)隔離。
多層 PCB 的三維視圖可以說明這一概念（見圖 2）。


圖2: 三維PCB視圖 - 布局也是電路的一部分注：
1)參見 Henry W. Ott，電磁兼容工程，John Wiley，2009 年。
在頂層，輸入電容(CIN)和兩個(gè)功率 FET 連接至 VIN區(qū)域和 PGND 區(qū)域（如上圖中的紅色部分），它們通過通孔連接到內(nèi)層。在 VIN路徑上，通孔之后必須連接電感元件（例如 1μH 至 2μH的線圈）。這樣，來自開關(guān)轉(zhuǎn)換的高 di/dt 電流將被限制在 CIN中，不會(huì)在PCB上流動(dòng)。
PGND 區(qū)域不應(yīng)直接連接到元件側(cè)的任何其他 GND，只通過通孔連接到 DC/DC 模塊下的 PGND 區(qū)域（如上圖中的藍(lán)色部分）。其目的是將高頻電流限制在元件側(cè)，將噪聲與“外界”隔離開來。PCB中至少要設(shè)計(jì)一層完整的GND，以提供低阻抗的系統(tǒng)參考。請(qǐng)記住，布局也是電路的一部分。
電感下方要鋪銅嗎？
有些 PCB 布局工具預(yù)設(shè)不允許在電感芯下鋪銅。對(duì)于這個(gè)問題，各方觀點(diǎn)不一，有人認(rèn)為根本無需鋪銅，有人則認(rèn)為應(yīng)該直接在PCB 元件側(cè)線圈正下方鋪銅。


圖3: 線圈下方無銅層的4層PCB在圖 3 顯示的 4 層 PCB 中，線圈下方的任何層中都沒有鋪銅，其產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖中所示。線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁力線直達(dá) PCB 底部并緊緊圍繞 PCB，有效耦合到任何連接的電纜中。PCB 上的濾波器組件則被空氣旁路。在這種設(shè)計(jì)下，幾乎不可能達(dá)到汽車 OEM的EMC標(biāo)準(zhǔn)。
圖 4 顯示的布局中，銅層直接鋪在元件側(cè)的線圈正下方。


圖4: 銅層位于PCB上線圈的正下方這種設(shè)計(jì)為渦流提供了一個(gè)區(qū)域來抵消 PCB 外部已有的磁場(chǎng)。內(nèi)層 2 和底層完全無噪聲。EMC 濾波器組件可以有效放置在底部。渦流磁場(chǎng)會(huì)稍稍降低線圈的有效電感（通常小于 5%）。渦流還會(huì)在 GND銅層中產(chǎn)生一些損耗。銅層直接位于電感磁芯下方還有一個(gè)小缺點(diǎn)就是增大了繞組到 GND 的寄生電容。但在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，該電容非常低，因此不會(huì)產(chǎn)生大的影響。
PCB布局示例：
MPQ443x 系列產(chǎn)品均為40V 同步降壓變換器，具有低工作靜態(tài)電流和 1A 至 3.5A的輸出電流，非常適合汽車和工業(yè)應(yīng)用。
MPQ4430 IC (U1) PCB 的頂部具有對(duì)稱的 CIN 組 (C1A-C1D)。這些電容的 GND 直接連接到 IC PGND 引腳，即底部 FET 的源極。這一片本地 GND 區(qū)域噪聲較大。在元件側(cè)，這片 GND 區(qū)域與其他任何GND 區(qū)域都沒有直接的連接，唯一的連接處就是通過通孔連接到DC/DC 電路下方層中的GND 區(qū)域。在這種配置中，來自功率級(jí)的高 di/dt 電流被限制在元件側(cè)。最高電流密度位于 VIN 和 PGND 之間走線的內(nèi)邊緣，如示例中的綠色橢圓所示（見圖 5）。


圖5: MPQ4430 PCB頂部布局VIN通過通孔連接到第 3 層。由于通孔存在電感，輸入電流的高頻部分仍留在頂部。CIN9 抑制了 IC 上的這個(gè) VIN 節(jié)點(diǎn)；但由于它的高度為 6mm ，并且陰極連接到GND，因此也阻斷了來自 SW 節(jié)點(diǎn)和線圈的部分E場(chǎng)輻射。
頂部 DC/DC 模塊周圍的切口將所有高頻電流保留在該區(qū)域內(nèi)。如果沒有切口，則一小部分熱回路電流仍會(huì)在 PCB 的邊角處流動(dòng)，從而使該區(qū)域產(chǎn)生噪聲。
高 dV/dt SW節(jié)點(diǎn)連接到電感，而電感通常較大并會(huì)輻射出電場(chǎng)。對(duì)大多數(shù)電感而言，如果其繞組起點(diǎn)連接到 SW 節(jié)點(diǎn)，則電場(chǎng)輻射會(huì)較低。
減少線圈電場(chǎng)輻射的方法之一是在線圈兩側(cè)放置輸出電容（C2A 和 C2B）。當(dāng)電容與線圈一樣高或更高時(shí)，效果最佳。一般而言，相比更大、更高的線圈，尺寸較小、更加扁平的電感具有更好的EMC 性能。


圖6: 內(nèi)層1的推薦PCB布局經(jīng)過EMC 優(yōu)化的PCB，其內(nèi)層 1 為 GND層。該層應(yīng)放置在頂部下方 70μm 處（見圖 6）。該 GND 區(qū)域噪聲較大。在DC/DC 模塊周圍 的GND 區(qū)域做切口，可防止剩余電流在連接器和濾波器組件下方層的邊緣流動(dòng)。切口應(yīng)為兩個(gè)狹長(zhǎng)的開口，準(zhǔn)確開在 VIN 和 VOUT 被路由到下層DC/DC 電路的位置，以提供預(yù)設(shè)的本地返回路徑。測(cè)試結(jié)果：30MHz 至100MHz傳導(dǎo)發(fā)射
在 fSW = 470kHz 且頻譜擴(kuò)展調(diào)制 (SSFM) 條件下，30MHz 至 108MHz 的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試結(jié)果約為 0dBμV，僅比系統(tǒng)噪聲高幾分貝（見圖 7）。


圖7: CE發(fā)射測(cè)試結(jié)果（30MHz至108MHz）MPQ4431帶0805 2.2μH 電感和兩個(gè) 0805 輸出電容、且開關(guān)頻率為 470kHz ，它在沒有額外屏蔽或 SSFM 的條件下也通過了低頻 RE 單極測(cè)試（見圖 8）。


圖8: 低頻單極測(cè)試結(jié)果結(jié)語
布局及其寄生元件也是電路的組成部分。對(duì)PCB進(jìn)行優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn) DC/DC 變換器的低 EMI。審慎的元件布置和電路板布局將有助于滿足汽車行業(yè)嚴(yán)格的 EMC 規(guī)范.