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减少无线/物联网设备EMI的若干问题解读(下)

2021-03-10 Kenneth Wyatt 阅读:
DC-DC转换器所产生的EMI,一直给无线和物联网设备的设计人员造成困扰。续上文,我们继续探讨减少EMI的十七个经典问题。

接上文:《减少无线/物联网设备EMI的若干问题解读(上)qaBednc

问:是否应将DC-DC转换器放置在PCB的底部,而将敏感的模拟电路放置在PCB的顶部?

是的,这是个好主意,这也在我的一些客户那里得到成功使用。通常,RF部分设置在顶层,所有数字处理和控制部分则都位于底层。中间至少要有一个实心地回路平面,并且需要注意在顶部和底部之间如何对任何关键(即高频)信号进行布线。必须要确保返回电流以及信号过孔的路径连续。qaBednc

问:是否有出色的DC-DC转换器PCB设计示例?

我现在所能建议的是,将这些元器件放置在非常靠近DC-DC转换器IC的位置,从而减少Cin和Cout(加上开关电感)的回路面积,然后就是保持输入电路和输出电路之间的隔离。在电路板的顶部或底部设置所有相关的元器件,然后确保有实心返回平面相邻。qaBednc

问:您提到共享Cin和Cout地引脚。您可以再讨论下这个主题吗?

当Cin(降压转换器的噪声回路)和Cout(升压转换器的噪声回路)共享相同的地电流返回路径时,噪声会通过该公共阻抗返回路径耦合,而污染“安静”的一面(无论是使用哪种降压/升压拓扑)。图5给出了一个很好的示例,它将Cin和Cout连接到同一点。请注意,并非只有TI会不经意地提出这样的坏布局建议,而是所有器件制造商有时都会出现这种情况。我们要能够找出主电流回路,然后确保一次和二次侧电路彼此分开得很好。qaBednc

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图5:以上示例中的TI LMR33610电路布局不佳,因为其存在Cin和Cout共享相同地回路的情况。这种公共阻抗耦合现象会将该降压转换器的噪声电流耦合到输出电压轨。(图片来源:德州仪器qaBednc

问:在DC-DC转换器上隔离Cin和Cout地参考的最佳方法是什么?

这个问题与上面的问题有关。最好的方法是将它们分离。如果按照原理图(输入回路-转换器IC-输出回路)布置电路板,则情况会很好。qaBednc

问:您还没有提到共模(CM)发射和差模(DM)发射的情况。是否能举几个降低PCB DM辐射会导致CM增加的实例,或反之亦然呢?是否有通用的PCB降辐射技术可以同时减少这两种发射?

减少PCB CM和DM EMI最好的方法是实现适当的PCB层叠。所有信号走线都应具有相邻的地回路平面,所有的电源平面/走线也都应具有相邻的地回路平面。我们希望将数字信号电磁波从头到尾限制在铜走线和返回平面之间。希望将任何电源网络瞬变(也包括电磁波)限制在铜平面/走线和返回平面之间。我最近在“Review: Tekbox LISN Mate is valuable for evaluating filter circuits”一文中就进行了一些DM和CM传导发射实验。qaBednc

问:您提到要使DC-DC转换器远离处理器和其他数字电路。但是,低压电源轨(1.5V、0.8V等)需要更靠近数字器件,电压降的损失会影响电压水平。对于这种情况,您有什么具体建议吗?

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图6:有时,将DC-DC转换器放置在靠近其用电器件的位置比较好。只要确保遵循所有通常的预防措施,例如使电流回路最小化,然后确保下方有实心返回平面即可。qaBednc

在PCB布局时保持分区的目标常常需要权衡(图6)。有时(屡见不鲜,不是么?)DC-DC转换器电路需要放置在数字处理区域内。我只是想警告您,请保持DC-DC转换器布局的一般规则,然后确保所有数字和电源转换电路下方均具有相邻的实心返回平面。qaBednc

还要避免将电源转换部分放置在过于靠近系统RF部分的位置。一些无线模块制造商建议将电源转换电路放置在其模块附近,而我发现这样做的客户设计确实存在问题。通常,在DC-DC转换器电感和开关节点周围会产生很大的电场。让这些电场位于天线附近确实是个坏消息。qaBednc

此外,我强烈建议在电源转换和数字处理部分上计划使用局部屏蔽。如果不需要的话,那么很好,但是要知道这通常需要使用局部屏蔽(特别是对于物理尺寸较小的板),并且如果没有事先计划好的连接点,则很难实施。qaBednc

问:EMI滤波器(反射式LC滤波器)和EMI吸收材料,哪个更有效?

哈哈!好吧,我猜想常规滤波器会更好,因为其可以衰减到40dB左右,但是其带宽可能会比宽带铁氧体吸波材料窄。另一方面,柔性铁氧体吸收片(图7图8)通常仅能吸收5至20dB。我认为需要做一些实验。我想请您参阅我有关铁氧体吸收材料的文章“Insertion-loss measurements of ferrite absorber sheets”。qaBednc

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图7:使用微带衰减法测量铁氧体吸收片。qaBednc

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图8:这是Arc-Tech WaveX铁氧体吸波材料的吸收曲线示例,该吸波材料恰好能在正常的蜂窝LTE和2GHz以下的其他无线/GPS频带中很好地工作。qaBednc

问:您有哪些EMC书籍可以推荐?

我在前面提到了几个,但也立即想到在我自己的藏书中还有下面这些好书(顺序不分先后):qaBednc

  • Henry Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, 2nd edition: a more practical treatment and probably the best-known reference
  • Clayton Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, 2nd edition: a more academic treatment
  • Eric Bogatin, Signal and Power Integrity Simplified, 3rd edition
  • Smith and Bogatin, Principles of Power Integrity for PDN Design
  • Steven Sandler, Power Integrity – Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems
  • Ralph Morrison, Grounding and Shielding – Circuits and Interference, 6th edition
  • Ralph Morrison, Fast Circuit Boards – stresses the electromagnetic wave nature of digital signals
  • David Weston, Electromagnetic Compatibility, 3rd edition: more oriented toward military systems
  • André and Wyatt, EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers: good coverage of EMC basic theory, measurement techniques, and troubleshooting
  • Wyatt, Creating Your Own EMC Troubleshooting Kit, Volume 1 – Volume 2 (emissions) and Volume 3 (immunity) coming soon
  • Würth Elektronik’s Trilogy of Magnetics, 5th edition

Kenneth Wyatt是Wyatt Technical Services公司的总裁兼首席顾问。qaBednc

参考资料

  1. Wyatt, Characterize DC-DC converter EMI with near field probes, EDN
  2. Wyatt, Design PCBs for EMI: How signals move – Part 1, EDN
  3. Wyatt, Platform interference, EDN
  4. Wyatt, Insertion loss measurements of ferrite absorber sheets, EDN
  5. Various video demos of EMC design principles, Wyatt Technical Services
  6. Wyatt, Review: Tekbox LISN Mate is valuable for evaluating filter circuits, EDN

(本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:EMI Q&A: Reduce on-board DC-DC converter EMI for wireless/IoT devices,原标题《EMI Q&A:降低无线/IoT设备板载DC-DC转换器的EMI》;由赵明灿编译)qaBednc

本文为《电子技术设计》2021年3月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里qaBednc

(责编:赵明灿)qaBednc

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