摘要：元件布局和電路板布板直接影響開關轉換器的EMI性能。本文介紹的方法有助于降低電磁輻射以及傳導EMI。

當今幾乎所有的電子系統中都用到了開關模式DC-DC轉換器，該器件功率轉換效率較高，得到了普遍應用。然而，它也有噪聲大和不穩定的缺點，很難通過EMI認證。這些問題大部分源自元件布局(不包括元件質量差的情況)和電路板布板。一個完美的專業設計可能會因為電路板的寄生效應而遭到淘汰。良好的布板不但有助于通過EMI認證，還可以幫助實現正確的功能。為理解這一問題，需要回顧EMI規范，確定一個典型DC-DC轉換器的潛在EMI來源。我們選擇降壓轉換器作為一個例子(可直接應用于升壓轉換器，也可以方便的應用于其他結構)。本文給出DC-DC轉換器的基本布板指南，以及一個實際例子。

EMI規范描述了頻域通過測試/失效模板，分為兩個頻率范圍。在150kHz至30MHz低頻段，測量線路的交流傳導電流。在30MHz至1GHz高頻段，測量輻射電磁場。電路節點電壓產生電場，而磁場由電流產生。存在問題最大的是階躍波(例如，方波)，產生的諧波能夠達到很高頻率。

為了確定EMI輻射源，我們先研究圖1a中降壓轉換器1的原理圖。開關電源工作時，晶體管Q1和Q2作為開關，而不是工作在線性模式。晶體管的電流和電壓均類似于方波，但是相位不一致，以降低功耗。

圖1a. 在該降壓轉換器原理圖中，互補驅動信號控制開關晶體管Q1和Q2，使其工作在開關狀態下，以達到較高的效率。

在圖1b中，開關節點電壓VLX以及晶體管電流I1和I2為方波，具有高頻分量。電感電流I3是三角波，也是可能的噪聲源。這些波形能夠實現較高的效率，但是從EMI的角度看，卻存在很大問題。

圖1b. 降壓轉換器的電流和電壓波形。開關晶體管電流I1和和I2，以及開關節點電壓VLX接近方波，是可能的EMI輻射源。

一個理想的轉換器不會產生外部電磁場，只在輸入端吸收直流電流。開關動作限制在轉換器模塊內部。電路設計人員和布板工程師應負責保證達到這一目標：

LX節點產生電場輻射，所有其他節點的電壓保持不變。縮小節點面積，并在鄰近設置地平面可以直接限制該電場(電場會被該平面吸收)。但是也不能太近，否則會增加雜散電容，降低效率，導致LX電壓振鈴。節點太小產生串聯阻抗，也應避免這種情況。

I1到I3產生磁場輻射。每一電流環路PCB布板的雜散電感決定了場強。電路環路之間的非金屬區域應盡可能的小，而走線寬度應盡可能大，以達到最低磁場強度。電感(L)本身應有良好的磁場限制能力，這由電感結構決定，而不取決于PCB布板問題。

傳導EMI是導致失敗的主要原因。電容CIN和COUT無法為開關電流I1和I3提供低阻時，將產生該問題。這些電流流至上游和下游電路。阻抗包括電容本身(含雜散電容)以及PCB的雜散阻抗。PCB雜散電感決定了阻抗，應盡量減小該電感，這同時也降低了磁場輻射。開關轉換器內部應避免出現過孔，這是因為過孔的感應系數較大。可以在頂層/元件層為電源的快速電流建立局部平面來解決這一問題。SMT元件可直接連接在這些平面上。通路必須寬而且短以降低電感。過孔用于連接本地平面和電源以外的系統平面。其雜散電感有助于將快速電流限制在頂層。可以在電感周圍加入過孔，降低其阻抗效應。產生傳導EMI的另一原因來自地平面，快速開關電流引起電壓尖峰。開關電流必須與外部電路共用任一通路，包括地平面。其解決方法還是在轉換器邊界內部的頂層設置一個局部電源地平面，在一點連接至系統地平面，這一點通常是在輸出電容處。

其他元件包括控制器IC、偏置和反饋/補償元件等，這些都是低電平信號源。為避免串擾，這些元件應與功率元件分開放置，以控制器IC隔斷它們。一種方法是將功率元件放置在控制器的一側，低電平信號元件放置在另一側。控制器IC的門驅動輸出以開關頻率吸收和源出大電流尖峰，應減小IC和開關晶體管之間的距離。反饋和補償引腳等大阻抗節點應盡量小，與功率元件保持較遠的距離，特別是在開關節點LX上。直流-直流控制器IC一般具有兩個地引腳GND和PGND。方法是將低電平信號地與電源地分離。當然，還要為低電平信號設置另一模擬地平面，不用設在頂層，可以使用過孔。模擬地和電源地應只在一點連接，一般是在PGND引腳。在極端情況(大電流)下，可以采用一個純單點地，在輸出電容處連接局部地、電源地和系統地平面。

以下布板指南總結了上面的討論(較好的數據手冊中也會有相似的PCB指南):

1. 功率元件布局布線。開始先放置開關晶體管Q1和Q2、電感L和輸入輸出電容CIN和COUT。這些元件盡可能的靠近放置，特別是Q2、CIN和COUT的地連接，以及CIN和Q1的連接。然后，為電源地、輸入、輸出和LX節點設置頂層連接，采用短而寬的走線連接至頂層。
2. 低電平信號元件布局布線。控制器IC應靠近開關晶體管放置。低電平信號元件放置在控制器的另一側。應盡量減小大阻抗節點，遠離LX節點放置。在適當的層上設置模擬地，在一點連接至電源地。

下面舉例說明上面采用的方法。MAX1954是低成本電流模式PWM控制器IC，適用于消費類以及電信和工業應用。圖2所示為MAX1954評估板原理圖，圖3所示為電路板布板。它能夠提供5A電流。評估板可以從低電壓(VIN)或者高電壓分配總線(VHSD)上選擇輸入電源。

圖2. 大電流降壓轉換器MAX1954評估板原理圖。請注意不同的地符號。

先找到功率元件：雙開關晶體管N1、電感L1、輸入電容C3和輸出電容C5。C3的位置非常關鍵；應盡可能近的直接與上面MOSFET漏極和下面MOSFET源極并聯。這樣做的目的是消除上面MOSFET打開時由于對下面MOSFET體二極管恢復充電產生的快速開關峰值電流。這些元件放置在圖3中布板的右側。所有連接都在頂層完成(紅色)。右上角的LX節點直接放置在系統地平面的頂層，由頂層VHSD和PGND節點進一步將其與下面的區域隔離。

低電平信號相關元件放置在布板左側。MAX1954控制器引出直接將低電平信號和電源電流分開。低電平信號和電源區之間放置控制器U1。R1和R2的中間點是反饋節點，做的比較小。補償節點(C7, C8和R3)也做的比較小。為了便于觀察，沒有畫出模擬地，它位于中間層，通過過孔與元件連接。

電源地和低電平模擬地平面在布板中分開，但還是在原理圖中以不同的符號表示。頂層電源地、模擬地平面和系統電源地平面在右下角連接在一起。

圖3. MAX1954評估板布板舉例說明了布板規則。電路板由四層組成：紅色是頂層；藍色是底層；黑色是系統地平面(中間層)；為便于觀察，沒有畫出模擬地平面(中間層)。

由于雜散電感和電容，開關節點將產生能夠導致EMI的高頻(40MHz至100MHz)振鈴。可以在每個MOSFET上并聯一個簡單的RC減振器電路，以阻尼高頻振鈴。為了阻尼VLX上升沿振鈴，在下面的MOSFET兩端并聯一個RC減振器。同樣的，為阻尼VLX下降沿振鈴，在上面的MOSFET兩端并聯一個RC減振器。增加元件意味著增加成本，可根據需要只加入RC減振器。選擇合適的RC減振器電路不會對效率造成太大的影響，這是因為雜散能量也會在電路中釋放掉，只是時間長一些。

注釋
1交換輸入和輸出電壓后，該指南可直接應用于升壓轉換器。