单片开关电源PCB版图电磁兼容分析

单片开关电源PCB版图的电磁兼容分析 
1 电磁兼容的概述
电磁兼容（EMC）的定义也就是指一个产品和其他产品共存于特定的电磁环境中，而不会因引起其他产品或者自身性能下降或损坏的能力。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）
2 单片开关电源PCB版图及其电磁兼容分析
2.1 双面直插式PCB版图及其电磁兼容分析
如图10所示，为单片开关电源双面直插式的PCB版图（其中元件均为直插式元件且在绘制过程中仅用了Top Layer和Bottom Layer两层，故本文称其为双面直插式PCB版图）。
（1）元器件的布局
在绘制图10的过程中，可以知道，本论文中的PCB版图的绘制和SCH图的布局类似，是按照电路的流程对电路中各个功能单元的位置进行安排、放置的，这样的布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。同时元器件也应该均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上．尽可能的减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
此外，元件的布局应也应该考虑以下几个方面的内容：
A．对温度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局；
B．在印制电路板上布置逻辑电路，原则上应在输出端子附近放置高速电路，如光电隔离器等，在稍远处放置低速电路和存储器等，以便处理公共阻抗的耦合、辐射和串扰等问题。在输入输出端放置缓冲器，用于板间信号传送，可有效防止噪声干扰。
C．电路板上装有高压、大功率器件时，与低压、小功率器件应保持一定间距，尽量分开布线。在大功率、大电流元器件周围不宜布设热敏器件或运算放大器等，以免产生感应或温漂。
D．在高速印制板电路中，较为常出现的是数字电路和模拟电路同时出现的情况对于这种情况，尽可能的将数字电路集中、模拟电路集中，但两者间需要保持一点的距离，以防数模互扰，图2-1所示为印制线路板元器件布局图实例。

（2）电容的谐振频率和高次谐波
当 时，会发生串联谐振，这时电容器的阻抗最小，旁路效果最好。超过谐振点后，电容器的阻抗特性呈现电感阻抗（感抗）的特性，并且随着频率的升高而增加，旁路效果开始变差。这时，作为旁路器件使用的电容器就开始失去了旁路的作用。所以在电磁兼容设计中使用的电容要求谐振频率尽量高，这样才能够在较宽的频率范围（10kHz~1GHz）内起到有效的滤波作用。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）
在未加滤波电容之前，整流电路中的二极管导通角θ为π。加滤波电容后，只有当电容充电时，二极管才导通，因此，每只二极管的导通角均小于π。随着滤波电容的增加，二极管的导通角将会越来越小，而根据傅里叶展开式1和图2-2可知，当导通角变小时，高次谐波就会增大，这样频率也就变大了，产生的辐射干扰也就增大了。


（3）导线宽度
由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的，因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比，与其宽度成反比，因此短且精的导线对抑制干扰是有帮助的。时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有更大的瞬变电流，此时印制导线要尽可能地短。而对于导线宽度的选择常常是与承载的电流有关的，其对应关系如表2-1所示。

Protel 99SE对于导线宽度的默认值是10mil，这类宽度的导线在绘制低速电路的时候还是可以使用的，但是到了高速电路，10mil宽度的导线将无法承载如此大的瞬变电流。同时由表2-1可知，对于不同厚度、不同宽度的铜箔的载流量也是不同的。需要注意的是，用铜皮作导线通过大电流时，铜箔宽度的载流量应参考表中的数值降额50%去选择。标准PCB板的铜箔厚度为35～40μm，本单片开关电源电路的载流值为1A，所以布线宽度至少要有25/20mm～28/20mm宽才行。这里，选取一个均值，为1.7mm。考虑到2次谐波较大，电流的有效值较大，按2A来确定布线宽度，为3.4mm，相当于120min。
（4） 电磁干扰
根据电磁兼容（EMC）的定义可以知道，EMC包括EMI（电磁干扰）及EMS（电磁耐受性）两部份，所谓EMI，是指机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS是指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。
一般避免电磁干扰的方法，例如开关电源，就是在其外面加上一个金属盒子，并且将其接地。而对于印制电路板来说，较为有效地控制电磁干扰的方法是减少导线的走线长度，即导线布线越短越好。
（5） 铺地
铺地一般是用GND，因为这样可以增加它的散热性。铺地之前肯定要先连接好，对应相应的网络标号连起来。铺地它只是把所有的GND连一起，并加大它的面积，这样可降低EMI和增加它的散热性。图2-3就是图18全面铺地后的效果（一定要注意地与线路之间的距离尤其是输入部分，在这里只是随便弄了个效果图）。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）

（6） 导线的电阻和感抗
印制电路板制造过程中，导线多为铜线，铜金属本身的物理特性决定了其在导电过程中必然存在一定的阻抗，所以在印制电路板中，导线均可被看作是很规则的矩形铜条。
而导线电阻可通过公式来计算：

式中L为导线长度（米），S为导线截面积（平方毫米），为电阻率。
当一段远离其他导体的导线，其长度远大于宽度时，导线的自感量为0.8μH/m，那么10cm长的导线则具有0.08μH的电感量。然后通过下面的公式可以求出该PCB板导线所呈现出来的感抗：

式中π为常数，f为导线通过信号的频率（Hz），L为单位长度导线的自感量（H）。分别计算出该导线在低频和高频下的感抗：
当f=10KHz时，XL=6.28×10×103×0.08×10-6≈0.005Ω；
当f=30MHz时，XL=6.28×30×106×0.08×10-6≈16Ω
通过以上公式计算可以看到，在低频信号传输中导线电阻大于导线感抗，而在高频信号中导线感抗要远远大于导线电阻。
（7）走线的原则
高速PCB设计中线路的走线也是其中很重要的一个部分，因为PCB走线之间会产生串扰现象，这种串扰不仅仅会在诗中和其周围信号之间产生，也会发生在其他关键信号上，如数据、地址和输入/输出信号线等，都会受到串扰和耦合影响[14]。
一般习惯性让所有的信号走线的间距满足以下三点规则：
A．两条走线中心之间的距离应该大于或等于走线宽度的3倍；
B．PCB边缘的走线，PCB边缘到走线边缘的距离应该大于3倍的走线宽度；
C．如果走线之间有过孔，那么走线间距应该大于或等于走线宽度的3倍，如图2-4所示。

（8）拐角走线
本文中的单片开关电源的频率由于不到10GHz，所以在PCB版图的绘制过程中，推荐使用的是45°拐角的绘制方式，当然圆角拐角也是可以的。
不推荐使用直角拐角的原因有两个，其一是制作成PCB板后，直角拐角比较尖锐，在使用过程中较容易被剥落；其二就是对于电磁兼容而言，直角拐角会对其周围产生辐射。
在走线确实需要直角拐角的情况下，通常就用两种方式来进行改进：其一是将90°拐角变成两个45°拐角；其二就是用圆角来替代90°拐角，如图2-5所示。

当然这两种拐角方式中圆角方式是最好的。45°拐角可以用到10GHz频率上，而且对于45°拐角走线来说，拐角的长度最好满足：L≥3W，如图2-6所示。

（9）泪滴焊盘
在高速电路中，为了使走线更加平稳、迅速的传递电流，Protel 99SE为我们提供了“泪滴焊盘”的功能。通过这个功能，能减小电流对于元器件焊盘的瞬间损伤，也能使电流的传递更加的快捷和稳定。在Protel 99SE中，可以设置两种泪滴焊盘的方式，一种是“Arc”，另一种是“Track”。它们分别如图2-7和图2-8所示。


对于泪滴焊盘的设置则可以通过单击【Tools/Teardrops/Add】后弹出【Teardrops】对话框，如图2 -9所示。其中在左边【General】选项卡中可以对需要泪滴焊盘的焊盘甚至是过孔进行设置。

（10）过孔的使用
过孔是由孔和孔周围的焊盘区和内层电气隔离区组成的。过孔的寄生电感、寄生电容等会影响通过过孔的高速信号，同时过孔的尺寸和与之相连接的焊盘等都对过孔的属性产生直接的影响。
①寄生电容
过孔本身存在着对地或电源的寄生电容，过孔的寄生电容可以用以下公式计算得到近似值：

式中：D2——地平面层孔直径；
D1——过孔焊盘直径；
T——PCB板的厚度；
——板基材的相对介电常数；
C——寄生电容容量。
当D1与D2相当接近时，寄生电容非常大。这样它就延长了电路中信号的上升时间，降低了电路的速度。尽管单个过孔的寄生电容引起的上升沿变缓的效用不是很明显，但是如果走线中多次使用过孔进行层间的切换，还是需要加以考虑的。
如图2-10示，为有过孔的PCB版图，但是通过更改线路的走向，完全可以避免此过孔的产生，修改后的如图2-11。


②寄生电感
在数字信号中，尤其是高速电路中，过孔的寄生电感带来的危害远远超过寄生电容，寄生电感会削弱滤波电容和旁路电容的效果，减弱整个电源系统的滤波效果，并且影响信号的传输质量。过孔的寄生电感可用下式计算：

式中：L——过孔的寄生电感；
h——过孔的深度；
d——过孔的直径。
式中包含对数计算，所以改变过孔直径对过孔电感的影响很小，而改变过孔深度则对过孔电感的影响较大。
正因为如此，在高速PCB设计时，希望尽量减少过孔的数量，如果实在不行，则希望过孔越小越好，这样板上就留出了更多的布线空间。此外，过孔越小，寄生电容也越小，更适合用于高速电路。
很多情况就像图2-10和图2-11所示，前者走线简洁方便，但是却要用过孔来进行上层与下层的过渡；后者走线长度增加了，但是由于其附近并无特别的元器件，所以省去了一个过孔，可以减少相应的寄生电容和寄生电感带来的印象。所以，在设计PCB版图，尤其是高速PCB版图的时候对于过孔的使用需要特别的注意。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）
（11）引脚电容
由于图17所示的PCB版图设计中的元器件均为直插式元件，所以其金属引脚间会存在引脚电容的情况。
通常大多数元器件引脚间距为0.1in，对地约有几个pF的电容，高速印制电路板上的焊盘可能会在元器件的每边各增加0.5pF的电容。主要起到了隔直传交的功能，当然只是电容最基本的功能。此外，如果在输入端，此电容就叫做旁路电容，主要是通过实现交流旁路来消除无用的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波的功能；如果0.5pF的电容在输出端，则被称为去耦电容，去耦电容可以为元件提供局部化的直流电压源，并且减少跨板浪涌电流的干扰。
而对于到底用多大容值的电容，表2-2可作为一个参考值。

2.2 双面贴片式PCB版图的电磁兼容分析
由表2-1可知，相对于直插式（DIP）的安装，元器件贴片式（STM）更为的优越。如图18，贴片式元器件比起直插式元器件，减少了连接脚的长度，这样也就减少了干扰的产生以及传递。虽然贴片式元器件焊接起来的较为的困难，但是如果是在高速电路中使用，相信贴片式元器件绝对是“物超所值”。相信宁愿花费多一点的时间进行焊接，也比用直插式元器件快速焊接好，但是测试中出现大量的电磁干扰的问题。所以能用贴片式的元器件应尽量使用贴片式，由其是电阻、电容、电感、集成电路等。
2.3 四面贴片式PCB版图及其电磁兼容分析
虽然与双面直插式相比，双面贴片式更具优势。但是如果拿双面贴片式和四面贴片式来进行比较，会发现后者的优势和好处更大。当然在高速电路设计中并不是PCB版图的层数越多越好，而是应该根据所设计的SCH图进行分析，随后合理的选择PCB版图的层数。合理并且优良的PCB多层设计可以提高整个系统的EMC性能，并减小PCB回路的辐射、干扰效应。（学习电源知识请关注微信公众号：电源研发精英圈）
多层板常常出现在高速、高性能的系统中，其中的一些层是用来设置电源或地的，这些层将作为与之相邻的信号走线的电流返回路径。图2-12所示为一种典型多层PCB叠层的配置。

表2-3为常用多层PCB层的设计配置，如果在绘制多层的情况下，可将其作为一种参考。

会在高速电路中推荐使用多层电路板，是因为多层电路板中有专门分配给电源和地的层，因此也就具有了如下的优点：电源非常稳定；电路阻抗大幅降低；配线长度大幅缩短。
而本论文中的单片开关电源可以使用四层板，即Top layer层、Bottom layer层外，另一层为电源层、还有一层即是接地层。其绘制后如图20和图21所示。
而层数的设置可以通过【Design/ Layer Stack Manager】进行层的添加、信号层的添加等，双击添加层的名字还能对层的属性进行修改，如图2-13所示。