射整改實(shí)戰(zhàn)：電源模塊超標(biāo)案例與PCB優(yōu)化)
1. 案例背景一份“載入史冊(cè)”的輻射超標(biāo)報(bào)告先擺一份實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。去年我接手了一個(gè)工業(yè)控制板的認(rèn)證整改產(chǎn)品是一個(gè)48V轉(zhuǎn)12V的DC-DC電源模塊加單片機(jī)控制系統(tǒng)外形不大但輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果相當(dāng)難看30MHz到100MHz頻段整體超標(biāo)最高點(diǎn)出現(xiàn)在68MHz附近超標(biāo)幅度接近10dB這意味著什么實(shí)驗(yàn)室的工程師直接跟我說(shuō)“這個(gè)狀態(tài)去測(cè)那就是送人頭。”這個(gè)案例特別典型因?yàn)樗某瑯?biāo)不是某根“神經(jīng)走線(xiàn)”導(dǎo)致的孤例而是電源電路設(shè)計(jì)、PCB布局、結(jié)構(gòu)接地三方面問(wèn)題疊加的結(jié)果。我拿它當(dāng)開(kāi)場(chǎng)是因?yàn)樗鼛缀鹾w了EMI輻射發(fā)射整改的所有關(guān)鍵動(dòng)作怎么讀頻譜、怎么定位干擾源、怎么設(shè)計(jì)濾波電路、怎么優(yōu)化PCB布局。這一套流程走完你以后再遇到輻射超標(biāo)手里就有了一套完整的處置思路。先說(shuō)清楚這個(gè)內(nèi)容適合誰(shuí)看硬件工程師、電源工程師、EMC工程師還有正在準(zhǔn)備產(chǎn)品認(rèn)證的中小團(tuán)隊(duì)。對(duì)剛?cè)胄械呐笥堰@份記錄可以當(dāng)作一份“參照系”——輻射發(fā)射超標(biāo)并不可怕可怕的是不知道從哪下手。我會(huì)把整個(gè)分析和整改過(guò)程展開(kāi)來(lái)講先說(shuō)怎么讀懂頻譜和定位噪聲源再依次拆解濾波電路設(shè)計(jì)和PCB布局優(yōu)化兩個(gè)核心整改動(dòng)作最后分享量產(chǎn)階段必須注意的坑。很多人一聽(tīng)到“EMI輻射發(fā)射”就覺(jué)得玄乎其實(shí)它本質(zhì)上就是個(gè)天線(xiàn)問(wèn)題任何流過(guò)高頻電流的導(dǎo)體都是一根天線(xiàn)只要電流路徑形成了環(huán)路或者線(xiàn)纜長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)某個(gè)頻率的波長(zhǎng)能量就會(huì)往空間里輻射。超標(biāo)說(shuō)明你的PCB上存在一個(gè)或者若干個(gè)“不該高效輻射的天線(xiàn)”我們要做的就是找到它們、掐斷它們。2. 超標(biāo)原因拆解噪聲是怎么“跑”出去的2.1 輻射發(fā)射三要素干擾源、耦合路徑、天線(xiàn)雷打不動(dòng)的分析框架就三要素干擾源、耦合路徑、天線(xiàn)。絕大多數(shù)輻射超標(biāo)都是這三者同時(shí)齊備的結(jié)果。增補(bǔ)任何一個(gè)環(huán)節(jié)輻射強(qiáng)度都能明顯下降掐斷其中任何一個(gè)輻射問(wèn)題基本就解決了。這個(gè)案例里干擾源是開(kāi)關(guān)電源的MOSFET。DC-DC工作在200kHz左右MOSFET開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)漏極電壓在幾十納秒內(nèi)完成從0到幾十伏的跳變這個(gè)dv/dt非常陡峭會(huì)產(chǎn)生很寬的頻譜分量。注意開(kāi)關(guān)頻率是200kHz但頻譜分量能一直延伸到幾十MHz甚至上百M(fèi)Hz這就是為什么輻射測(cè)試要從30MHz往后看——高頻分量才是輻射發(fā)射的主角。耦合路徑有兩條傳導(dǎo)和空間。傳導(dǎo)路徑上開(kāi)關(guān)噪聲通過(guò)電源線(xiàn)、地線(xiàn)往外傳最終在連接線(xiàn)纜上形成共模電流空間路徑上開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出二極管附近的強(qiáng)電磁場(chǎng)直接感應(yīng)到PCB上的長(zhǎng)走線(xiàn)和散熱片上。這個(gè)案例里我們后面會(huì)看到輸出整流二極管的反向恢復(fù)引起的振鈴直接把能量耦合到了外部接口線(xiàn)纜上。天線(xiàn)更直接PCB上的任何金屬走線(xiàn)、連接器的線(xiàn)纜、散熱片、安裝孔周?chē)你~箔都是潛在的天線(xiàn)。這里有個(gè)概念需要強(qiáng)調(diào)線(xiàn)纜天線(xiàn)的效率非常高。一個(gè)30cm長(zhǎng)的線(xiàn)纜在100MHz附近就接近四分之一波長(zhǎng)諧振所以很多輻射超標(biāo)能量其實(shí)都是通過(guò)線(xiàn)纜輻射出來(lái)的而不是PCB本身。2.2 從頻譜特征判斷干擾來(lái)源拿到頻譜儀或EMI接收機(jī)的輻射發(fā)射測(cè)試圖第一件事不是著急改電路而是先讀圖。我做EMC整改這些年總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)是頻譜上的噪聲形態(tài)直接告訴你干擾的類(lèi)型幫你快速縮小排查范圍。寬帶底噪整體抬高包絡(luò)呈現(xiàn)“山丘”形從低頻一直延伸到幾十MHz這通常是開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)諧波在作怪諧波次數(shù)越高幅度衰減越慢說(shuō)明dv/dt太陡或者回路面積太大。高頻段30MHz以上出現(xiàn)明顯的窄帶尖峰間隔均勻、像梳子一樣的譜線(xiàn)這往往是數(shù)字時(shí)鐘的諧波或者開(kāi)關(guān)噪聲的某個(gè)高次諧波在特定頻率與線(xiàn)纜天線(xiàn)形成諧振。單個(gè)孤立的尖峰旁邊沒(méi)有伴生譜線(xiàn)大概率是某個(gè)諧振點(diǎn)比如散熱片與地之間的寄生電感電容諧振或者連接器線(xiàn)纜的長(zhǎng)度正好在某頻點(diǎn)形成四分之一波長(zhǎng)天線(xiàn)。這次案例的測(cè)試曲線(xiàn)就是第一類(lèi)加第二類(lèi)的混合體低頻段整體抬高30MHz到100MHz寬帶噪聲疊加了很多尖峰。寬帶底噪的來(lái)源基本可以鎖定在電源部分尖峰則與具體的諧振結(jié)構(gòu)相關(guān)。所以我當(dāng)時(shí)的判斷是先拿近場(chǎng)探頭去PCB上“掃雷”把熱點(diǎn)區(qū)域找出來(lái)再動(dòng)手。2.3 近場(chǎng)探頭實(shí)測(cè)定位熱點(diǎn)區(qū)域的鎖定過(guò)程近場(chǎng)探頭配頻譜儀是排查輻射超標(biāo)的利器。操作方式不復(fù)雜把頻譜儀設(shè)置成Max Hold模式用近場(chǎng)探頭貼著PCB表面慢慢移動(dòng)觀察頻譜儀上的幅度變化。幅度明顯高的位置就是用“熱點(diǎn)”。我這臺(tái)設(shè)備的定位過(guò)程很有意思。探頭從電源模塊上面掃過(guò)的時(shí)候頻譜儀上的寬帶底噪明顯抬高當(dāng)探頭靠近輸出整流二極管附近時(shí)30MHz到100MHz的噪聲幅度陡然增加了一個(gè)臺(tái)階——說(shuō)明噪聲源就在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出二極管周?chē)Ｔ儆铆h(huán)形探頭順著接口線(xiàn)纜走一遍發(fā)現(xiàn)線(xiàn)纜末端也有明顯的共模電流電流探頭夾在電纜上能測(cè)到幾十mA的共模噪聲。這說(shuō)明干擾不僅從PCB上輻射還通過(guò)線(xiàn)纜把能量帶出去了。定位做完結(jié)論就清楚了干擾源MOSFET開(kāi)關(guān)瞬態(tài) 輸出二極管反向恢復(fù)振鈴。耦合路徑電源輸入走線(xiàn)、輸出走線(xiàn)、地平面上的噪聲電流傳導(dǎo)到接口線(xiàn)纜形成共模輻射。天線(xiàn)接口線(xiàn)纜是主要輻射體PCB上的長(zhǎng)走線(xiàn)和散熱片也貢獻(xiàn)了一部分。有了這個(gè)判斷整改方向就明確了一邊從源頭抑制dv/dt和振鈴一邊在電源輸入口加濾波電路切斷傳導(dǎo)路徑再配合PCB布局優(yōu)化減小回路面積。后面三個(gè)章節(jié)我會(huì)按實(shí)際整改順序展開(kāi)——先濾波電路再PCB布局最后驗(yàn)證和量產(chǎn)控制。3. 整改動(dòng)作一EMI濾波電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選型3.1 濾波器拓?fù)湓趺催x共模、差模各管一段提到EMI濾波電路很多人第一反應(yīng)就是“往電源入口加個(gè)電感電容”。但濾波電路的拓?fù)涫怯兄v究的不是隨便拼幾個(gè)器件就能有效果。電源輸入端的EMI濾波器核心功能就是把開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲“堵”在設(shè)備內(nèi)部不讓它跑到線(xiàn)纜上去。標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涫荴電容 共模扼流圈 Y電容 差模電感按順序排列。需要注意差模電感和共模扼流圈在結(jié)構(gòu)上往往是集成的——共模扼流圈的兩個(gè)繞組如果存在繞制不對(duì)稱(chēng)就會(huì)產(chǎn)生漏感這個(gè)漏感恰好可以作為差模電感使用。很多成品濾波器內(nèi)部就是靠共模扼流圈的漏感來(lái)吸收差模噪聲的不必額外加一個(gè)大體積差模電感。拓?fù)淅锔鱾€(gè)器件的分工要心里有數(shù)X電容跨接在L和N之間吸收差模噪聲主要針對(duì)低頻段幾百kHz到幾MHz。共模扼流圈對(duì)共模噪聲呈現(xiàn)高阻抗兩個(gè)繞組繞向相反正常工作電流在磁芯里產(chǎn)生的磁通相互抵消不會(huì)飽和。Y電容L和N分別對(duì)地給共模噪聲提供一個(gè)低阻抗的泄放路徑讓它回到源端而不是沿線(xiàn)纜往外跑。差模電感串聯(lián)在L、N線(xiàn)上抑制差模電流的高頻分量。這個(gè)案例里原設(shè)計(jì)其實(shí)“有”濾波電路——一個(gè)共模扼流圈加一個(gè)X電容但實(shí)測(cè)效果很差。拆下來(lái)一看問(wèn)題一目了然共模電感用的是錳鋅鐵氧體磁芯感量倒是挺大但頻率特性不行10MHz以上阻抗就衰減得厲害根本管不住30MHz以上的噪聲。另外Y電容根本沒(méi)有放置位置PCB上連焊盤(pán)都沒(méi)畫(huà)也就是說(shuō)共模噪聲基本是“裸奔”出設(shè)備的。3.2 共模扼流圈的選型與安裝禁忌共模扼流圈的選型核心看三點(diǎn)額定電流、感量、頻率特性。這里重點(diǎn)講頻率特性因?yàn)檫@是最容易搞錯(cuò)的地方。鐵氧體磁材分兩類(lèi)錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。錳鋅的初始磁導(dǎo)率高幾千u低頻阻抗效果好但高頻性能衰減快鎳鋅的初始磁導(dǎo)率低幾百u(mài)但高頻阻抗穩(wěn)定能管到幾十MHz甚至更高。很多工程師習(xí)慣性選大感量的錳鋅磁環(huán)結(jié)果就是低頻濾波效果不錯(cuò)高頻段完全失守——這次案例就是這樣。我的處理方案保留原位置但換磁材。將錳鋅磁環(huán)換成鎳鋅磁環(huán)繞制圈數(shù)重新計(jì)算目標(biāo)感量在1mH左右這個(gè)值留有余量因?yàn)楦辛刻笤褦?shù)多分布電容也會(huì)增大反而在某個(gè)高頻點(diǎn)形成自諧振讓濾波效果斷崖式下跌。這里有個(gè)細(xì)節(jié)共模扼流圈的自諧振頻率一定要遠(yuǎn)高于你需要抑制的頻段否則在諧振點(diǎn)附近阻抗塌陷EMI性能會(huì)突然劣化。選型時(shí)直接問(wèn)供應(yīng)商要阻抗-頻率曲線(xiàn)看10MHz、30MHz、100MHz三個(gè)頻點(diǎn)的阻抗值比看感量更有參考價(jià)值。共模扼流圈在PCB上還有一個(gè)常被忽略的安裝禁忌下方不能有銅箔鋪地也不能讓其他走線(xiàn)從磁芯正下方穿過(guò)。因?yàn)楣材６罅魅Φ穆┐艜?huì)在下方的銅箔上感應(yīng)出渦流這個(gè)渦流環(huán)路本身就是個(gè)次級(jí)輻射源。實(shí)際整改中我在共模電感下方兩個(gè)焊盤(pán)之間掏空了銅皮保留凈空區(qū)輻射值又往下壓了1~2dB。3.3 Y電容選型與放置數(shù)值、位置都是敏感點(diǎn)Y電容的作用是給共模電流提供回流路徑。共模電流從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)出發(fā)通過(guò)寄生電容流到地平面或機(jī)殼再沿線(xiàn)纜流出去。Y電容提供了一條低阻抗路徑讓共模電流在PCB內(nèi)部就“短路”回源而不是外溢到線(xiàn)纜上。Y電容的容值選擇有一個(gè)天花板漏電流要求。醫(yī)療和手持設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)一般工業(yè)設(shè)備按0.1mA到0.5mA等級(jí)控制。對(duì)220V輸入Y電容容值通常在1nF到4.7nF之間。這個(gè)案例的模塊是48V輸入漏電流壓力小一些我最終選了2.2nF的Y電容安規(guī)等級(jí)Y2耐壓和可靠性都有保障。Y電容放置的位置比數(shù)值更關(guān)鍵必須接在共模扼流圈之后靠近設(shè)備內(nèi)部一側(cè)而且Y電容的接地點(diǎn)要盡量靠近開(kāi)關(guān)電源的輸入地端子保證共模電流的回流路徑最短。有些人把Y電容接到PCB邊緣的安裝孔地結(jié)果電流繞了大半個(gè)板子才回去——這等于把一個(gè)低阻抗通路變成了天線(xiàn)饋電點(diǎn)越改越糟。這次案例里因?yàn)橹虚g層有完整地平面我把Y電容的接地點(diǎn)直接打過(guò)孔接到輸入地縮短了回流路徑。實(shí)測(cè)下來(lái)30MHz到60MHz頻段的噪聲幅度明顯下降。3.4 差模電感參數(shù)放多少感量才算夠差模電感量不是拍腦袋定的它和你的目標(biāo)衰減量相關(guān)。公式是L (Vin_min × D) / (ΔI × f_sw)其中Vin_min是最低輸入電壓D是占空比ΔI是允許的輸入電流紋波f_sw是開(kāi)關(guān)頻率。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電感設(shè)計(jì)公式但用在EMI濾波器的差模電感上通常我們不需要把紋波壓到很小——差模電感的主要作用是把差模噪聲的電流源轉(zhuǎn)為電壓源方便X電容吸收所以取值一般比主功率電感小一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)操上我習(xí)慣用經(jīng)驗(yàn)值起步幾u(yù)H到幾十uH然后根據(jù)實(shí)測(cè)頻譜的超標(biāo)情況調(diào)整。這次案例里差模噪聲的影響主要在5MHz以下原設(shè)計(jì)用了10uH差模電感但位置放在X電容之后順序反了——電感應(yīng)該在X電容之后嗎嚴(yán)格的順序是電源入口→X電容→共模扼流圈→差模電感→Y電容→內(nèi)部電路。差模電感和X電容組合構(gòu)成一個(gè)LC低通如果差模電感在X電容之前高頻阻抗失配濾波效果大打折扣。當(dāng)然這個(gè)案例的差模電感改動(dòng)不大真正讓高頻輻射降下去的是前面共模扼流圈和Y電容的組合。但這從順序上也再次證明每個(gè)器件的位置和拓?fù)漤樞蚨际请姶偶嫒菰O(shè)計(jì)的一部分任何一個(gè)環(huán)節(jié)的缺失或者錯(cuò)位都會(huì)在頻譜上“兌現(xiàn)”出來(lái)。4. 整改動(dòng)作二PCB布局怎么過(guò)EMI的實(shí)戰(zhàn)優(yōu)化4.1 核心原則讓高頻電流回路短、再短一點(diǎn)很多工程師到了PCB布局階段才想起來(lái)問(wèn)“PCB布局怎么過(guò)EMI”其實(shí)這類(lèi)問(wèn)題應(yīng)該從布局一開(kāi)始就帶著EMC思維去考慮。所謂EMC的PCB布局回到根本就一個(gè)原則任何高頻電流的回路面積要盡量小路徑要盡量短不要在PCB上形成“大環(huán)天線(xiàn)”。開(kāi)關(guān)電源的功率回路是最典型的例子。以Buck電路為例高頻電流流過(guò)的路徑是輸入電容→MOSFET→電感→負(fù)載→返回輸入電容。這個(gè)回路里MOSFET開(kāi)關(guān)瞬間的di/dt非常大如果回路面積大就是一個(gè)高效的磁場(chǎng)輻射天線(xiàn)。所以輸入電容必須緊挨著MOSFET的漏極和源極擺放不是“盡量靠近”而是“必須貼臉?lè)拧?。這個(gè)案例里原設(shè)計(jì)的輸入電容距離MOSFET大約8mm中間還隔了一個(gè)走線(xiàn)過(guò)孔導(dǎo)致高頻回路面積被拉大20MHz以上的輻射整體抬高。整改時(shí)我把輸入電容挪到MOSFET同一面兩個(gè)引腳直接用短寬銅箔連接回路面積壓縮到原來(lái)的三分之一以下——這個(gè)動(dòng)作對(duì)30MHz到50MHz頻段的改善非常顯著。還有一個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)覺(jué)得“地面積越大越好不管什么信號(hào)都給它鋪地”。實(shí)際上不連續(xù)的地平面或者被分割得七零八落的地平面反而會(huì)迫使回流電流繞道形成更大的環(huán)路。這里的原則是給高速或大電流信號(hào)一個(gè)連續(xù)的回流參考平面不要在回流路徑上開(kāi)槽開(kāi)洞。很多工程師的習(xí)慣是為了隔離數(shù)字模擬地在中間劃一道縫但在高頻下這會(huì)引來(lái)更大的問(wèn)題——跨分割走線(xiàn)會(huì)讓回流電流走一個(gè)很大的迂回路徑輻射超標(biāo)基本都是這么來(lái)的。4.2 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出二極管的布局處理開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW節(jié)點(diǎn)的覆蓋銅面積是一個(gè)需要控制的矛盾體面積小了散熱不好面積大了輻射增強(qiáng)。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)高頻電壓擺動(dòng)的節(jié)點(diǎn)它本身就是一個(gè)輻射源鋪銅面積越大等效天線(xiàn)尺寸越大。折中方案是鋪銅面積剛好滿(mǎn)足載流和散熱需求即可不要為了“看著飽滿(mǎn)”而大面積鋪銅。另外開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)下方不能有敏感信號(hào)走線(xiàn)特別是不能有并行的長(zhǎng)走線(xiàn)——這樣會(huì)形成容性耦合把開(kāi)關(guān)噪聲引入到信號(hào)路徑。在多層板設(shè)計(jì)里最好在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的正下方留一塊完整地平面用“法拉第籠”的思路把場(chǎng)限制局部。輸出整流二極管的是另一個(gè)重點(diǎn)二極管反向恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電流尖峰和振鈴這個(gè)振鈴頻率通常在幾十MHz到上百M(fèi)Hz和本次超標(biāo)的68MHz尖峰直接相關(guān)。處理思路有三個(gè)一是選用反向恢復(fù)時(shí)間更快的二極管超快恢復(fù)或SiC二極管從源頭降低振鈴能量二是在二極管兩端并聯(lián)一個(gè)RC吸收電路阻尼振鈴三是在二極管兩端并聯(lián)一個(gè)小磁珠把高頻分量就地消耗掉。這次案例中我同時(shí)在二極管管腳處加了RC吸收并用一根很短的磁珠串聯(lián)在二極管陰極68MHz尖峰直接壓下去5dB以上。RC吸收電路的參數(shù)不是隨便定的C的取值決定吸收頻段R的取值決定阻尼程度。我習(xí)慣先實(shí)測(cè)振鈴頻率本案例振鈴大約在65MHz到70MHz。吸收電容的容值取振鈴周期對(duì)應(yīng)的特征阻抗和經(jīng)驗(yàn)值一般幾百pF起步電阻在幾歐到幾十歐之間調(diào)試最終取了15Ω和470pF的組合。注意R的功率別選小了高頻紋波電流會(huì)在R上發(fā)熱至少用0603以上封裝。4.3 散熱片與接地我最常被問(wèn)到的一道題耐人尋味的是在“PCB布局怎么過(guò)EMI”里大家最容易忽略的是散熱片。很多功率器件需要貼散熱片散熱片是一塊大金屬而金屬在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境里就是天線(xiàn)。散熱片如果與地之間有寄生電容高頻噪聲就能通過(guò)這個(gè)寄生電容耦合到散熱片上再往空間輻射。處理方式有兩種流派懸浮和接地。懸浮的散熱片就是一個(gè)天線(xiàn)除非面積特別小或電場(chǎng)耦合特別弱——實(shí)戰(zhàn)中不建議采用。接地的散熱片要注意接地方式最好用低阻抗方式接地而不是單點(diǎn)長(zhǎng)走線(xiàn)接地。因?yàn)樯崞砻娣e大高頻感應(yīng)電壓分布不均勻單點(diǎn)接地反而在散熱片的遠(yuǎn)端形成天線(xiàn)效應(yīng)。更穩(wěn)妥的方案是多點(diǎn)接地或通過(guò)導(dǎo)電泡棉與機(jī)殼大面積接觸。這個(gè)案例里MOSFET的散熱片原本懸空我用示波器探頭靠近散熱片時(shí)能看到明顯的耦合電壓。整改時(shí)在散熱片上加裝了接地彈片通過(guò)螺釘連接到地平面并在接觸面涂了導(dǎo)熱硅脂保證電氣接觸。這個(gè)動(dòng)作在50MHz以上的頻譜上衰減效果非常明顯——耦合到散熱片上的能量沒(méi)了去處輻射自然下降。4.4 接口線(xiàn)纜與連接器的共模抑制前面說(shuō)過(guò)本案例的主要輻射天線(xiàn)其實(shí)是接口線(xiàn)纜。線(xiàn)纜的共模電流從哪里來(lái)的來(lái)自PCB上的地電位波動(dòng)。當(dāng)PCB上的噪聲地電位相對(duì)大地波動(dòng)就會(huì)在線(xiàn)纜上產(chǎn)生共模電壓驅(qū)動(dòng)線(xiàn)纜對(duì)外輻射。解決接口線(xiàn)纜的共模輻射最有效的武器是共模扼流圈。很多場(chǎng)合會(huì)在接口處套一個(gè)磁環(huán)共模扼流圈的成品形態(tài)套上線(xiàn)纜后線(xiàn)纜上的共模電流被高阻抗擋住輻射大幅下降。但成品磁環(huán)是“事后補(bǔ)救”更好的做法是在PCB上預(yù)留共模濾波器的位置。這個(gè)案例的處理我在接口端子旁邊預(yù)留了共模電感和對(duì)地Y電容的位置共模電感與Y電容的接地點(diǎn)直接連接到一個(gè)“干凈”的參考地即輸入電源地不要接近接口地或機(jī)殼地形成對(duì)共模電流的閉環(huán)抑制。套用之前講的原則Y電容回流的路徑一定要短而且絕對(duì)不能和信號(hào)回流地回路交叉。很多工程師把接口共模濾波器的Y電容接到機(jī)殼地上以為這樣最安全結(jié)果機(jī)殼地和信號(hào)地之間存在高頻地電位差反而讓濾波效果大打折扣。正確的做法是Y電容接在共模扼流圈靠近內(nèi)部電路的一側(cè)接地點(diǎn)選擇輸入電源的負(fù)極讓共模電流在PCB內(nèi)部完成回路不依賴(lài)外部大地。5. 整改驗(yàn)證與量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)5.1 復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)整改前后到底改了什么整套整改動(dòng)作完成后回到實(shí)驗(yàn)室復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明一切30MHz到100MHz頻段全部降到限值線(xiàn)以下并留有至少6dB的裕量。68MHz尖峰從超標(biāo)10dB轉(zhuǎn)為低于限值8dB合計(jì)壓下去18dB。寬帶底噪整體下降了8dB以上曲線(xiàn)形態(tài)從“到處是山”變成“基本平直”。這個(gè)結(jié)果在CE標(biāo)志認(rèn)證中屬于比較理想的狀態(tài)輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)一次通過(guò)不需要反復(fù)送測(cè)。不過(guò)復(fù)測(cè)只是一只腳踩到了岸上量產(chǎn)階段的坑還在后面。5.2 電氣性能是否受影響效率、紋波、溫升濾波電路不是白加的它要消耗能量、增加壓降、影響穩(wěn)定性所以做完整改一定要回測(cè)關(guān)鍵電氣指標(biāo)。這次我給共模扼流圈換成了鎳鋅磁芯感量變小了一些要確認(rèn)輸入端的紋波電流是否因此變大加了Y電容和RC吸收要確認(rèn)靜態(tài)功耗和溫升是否可接受。實(shí)測(cè)結(jié)果電源轉(zhuǎn)換效率下降了約0.3%在可接受范圍內(nèi)。輸出電壓紋波變化不大與整改前基本持平。共模扼流圈和RC吸收電阻的溫升穩(wěn)定運(yùn)行2小時(shí)后均不超過(guò)40℃溫升可靠性沒(méi)有問(wèn)題。為什么效率只降了這么一點(diǎn)因?yàn)楣材６罅魅υ谡９ぷ麟娏飨麓磐ㄏ嗷サ窒麚p耗較小Y電容屬于輕載元器件RC吸收消耗的是本來(lái)就要發(fā)熱的振鈴能量反而降低了二極管的溫度。所以一個(gè)好的EMI設(shè)計(jì)不僅不影響性能還往往能改善器件的熱應(yīng)力。5.3 量產(chǎn)一致性不要只認(rèn)“實(shí)驗(yàn)室的板子”做EMC整改最怕的一件事實(shí)驗(yàn)室里的樣機(jī)通過(guò)了量產(chǎn)卻不穩(wěn)定十臺(tái)里有兩三臺(tái)輻射值飄到限值線(xiàn)上。原因幾乎都出在一致性控制上。第一元器件的批次差異。共模扼流圈的磁材批次波動(dòng)很大不同廠家的同規(guī)格型號(hào)阻抗-頻率曲線(xiàn)可能差出一倍。我踩過(guò)這個(gè)坑選了一家便宜的供應(yīng)商首版驗(yàn)證通過(guò)了小批量試產(chǎn)時(shí)50MHz附近輻射超標(biāo)換回原廠的磁環(huán)立刻通過(guò)。所以定型后不要隨意換供應(yīng)商每批來(lái)料必須抽測(cè)阻抗曲線(xiàn)。第二PCB加工的一致性。阻抗控制、層壓工藝、銅箔厚度波動(dòng)都會(huì)影響EMC性能。特別是多層板的內(nèi)層間距直接影響寄生電容而寄生電容是共模電流的重要路徑。生產(chǎn)時(shí)要盯住PCB廠的關(guān)鍵參數(shù)不能只標(biāo)個(gè)“按常規(guī)工藝”就完事。第三裝配的一致性。散熱片接地彈片的接觸電阻、屏蔽罩的扣合程度、線(xiàn)纜的走向固定這些手工裝配環(huán)節(jié)最容易引入隨機(jī)性。此前見(jiàn)過(guò)一個(gè)案例同一批產(chǎn)品A線(xiàn)裝配的屏蔽罩固定良好B線(xiàn)裝配時(shí)工人漏裝了一顆接地螺釘結(jié)果B線(xiàn)整批輻射超標(biāo)。因此需要把EMC相關(guān)的裝配步驟寫(xiě)進(jìn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)并標(biāo)記為關(guān)鍵工序。5.4 常見(jiàn)問(wèn)題速查表我把這次整改過(guò)程里踩過(guò)坑和常用結(jié)論整理成一張表供大家對(duì)照超標(biāo)頻段與特征大概率原因優(yōu)先整改動(dòng)作30MHz以下寬帶抬升差模噪聲、開(kāi)關(guān)電源基頻諧波加大X電容、調(diào)整差模電感位置和感量30MHz-100MHz寬帶尖峰開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴、二極管反向恢復(fù)減小功率回路面積、加RC吸收、換快恢復(fù)二極管100MHz以上孤立尖峰線(xiàn)纜諧振、散熱片天線(xiàn)接口加共模扼流圈、散熱片多點(diǎn)接地、線(xiàn)纜套磁環(huán)多個(gè)等間隔窄帶尖峰數(shù)字時(shí)鐘諧波時(shí)鐘線(xiàn)包地、串阻、減少過(guò)孔換層檢查信號(hào)回流路徑頻譜隨負(fù)載增大而增大電源功率級(jí)驅(qū)動(dòng)能力加強(qiáng)、環(huán)路面積加大檢查輸出電容擺放、減小di/dt回路這個(gè)表不能當(dāng)“萬(wàn)能公式”用但它能幫你把方向校準(zhǔn)。真正整改時(shí)還是要靠頻譜儀和近場(chǎng)探頭的實(shí)測(cè)來(lái)驗(yàn)證判斷別上來(lái)就盲目加料——那樣往往事倍功半。最后再分享一個(gè)經(jīng)驗(yàn)EMI整改最忌諱的就是“沒(méi)有定位就動(dòng)手改”。我見(jiàn)過(guò)不少工程師拿到超標(biāo)報(bào)告第一反應(yīng)是往電源入口堆磁珠、換電容結(jié)果改了半天頻譜紋絲不動(dòng)。正確的流程永遠(yuǎn)是先用近場(chǎng)探頭和頻譜儀找出熱源分析干擾類(lèi)型再?zèng)Q定是調(diào)濾波電路還是改PCB布局然后再動(dòng)手。定位花的時(shí)間永遠(yuǎn)會(huì)在后續(xù)整改中省回來(lái)。這個(gè)案例的整個(gè)周期從定位、整改到復(fù)測(cè)通過(guò)一共花了一周其中四天都在分析和實(shí)驗(yàn)真正焊接改動(dòng)不到半天——這就是“三要素分析”的威力。 EMI輻射發(fā)射整改實(shí)戰(zhàn)：電源模塊超標(biāo)案例與PCB優(yōu)化
1. 案例背景一份“載入史冊(cè)”的輻射超標(biāo)報(bào)告先擺一份實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。去年我接手了一個(gè)工業(yè)控制板的認(rèn)證整改產(chǎn)品是一個(gè)48V轉(zhuǎn)12V的DC-DC電源模塊加單片機(jī)控制系統(tǒng)外形不大但輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果相當(dāng)難看30MHz到100MHz頻段整體超標(biāo)最高點(diǎn)出現(xiàn)在68MHz附近超標(biāo)幅度接近10dB這意味著什么實(shí)驗(yàn)室的工程師直接跟我說(shuō)“這個(gè)狀態(tài)去測(cè)那就是送人頭。”這個(gè)案例特別典型因?yàn)樗某瑯?biāo)不是某根“神經(jīng)走線(xiàn)”導(dǎo)致的孤例而是電源電路設(shè)計(jì)、PCB布局、結(jié)構(gòu)接地三方面問(wèn)題疊加的結(jié)果。我拿它當(dāng)開(kāi)場(chǎng)是因?yàn)樗鼛缀鹾w了EMI輻射發(fā)射整改的所有關(guān)鍵動(dòng)作怎么讀頻譜、怎么定位干擾源、怎么設(shè)計(jì)濾波電路、怎么優(yōu)化PCB布局。這一套流程走完你以后再遇到輻射超標(biāo)手里就有了一套完整的處置思路。先說(shuō)清楚這個(gè)內(nèi)容適合誰(shuí)看硬件工程師、電源工程師、EMC工程師還有正在準(zhǔn)備產(chǎn)品認(rèn)證的中小團(tuán)隊(duì)。對(duì)剛?cè)胄械呐笥堰@份記錄可以當(dāng)作一份“參照系”——輻射發(fā)射超標(biāo)并不可怕可怕的是不知道從哪下手。我會(huì)把整個(gè)分析和整改過(guò)程展開(kāi)來(lái)講先說(shuō)怎么讀懂頻譜和定位噪聲源再依次拆解濾波電路設(shè)計(jì)和PCB布局優(yōu)化兩個(gè)核心整改動(dòng)作最后分享量產(chǎn)階段必須注意的坑。很多人一聽(tīng)到“EMI輻射發(fā)射”就覺(jué)得玄乎其實(shí)它本質(zhì)上就是個(gè)天線(xiàn)問(wèn)題任何流過(guò)高頻電流的導(dǎo)體都是一根天線(xiàn)只要電流路徑形成了環(huán)路或者線(xiàn)纜長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)某個(gè)頻率的波長(zhǎng)能量就會(huì)往空間里輻射。超標(biāo)說(shuō)明你的PCB上存在一個(gè)或者若干個(gè)“不該高效輻射的天線(xiàn)”我們要做的就是找到它們、掐斷它們。2. 超標(biāo)原因拆解噪聲是怎么“跑”出去的2.1 輻射發(fā)射三要素干擾源、耦合路徑、天線(xiàn)雷打不動(dòng)的分析框架就三要素干擾源、耦合路徑、天線(xiàn)。絕大多數(shù)輻射超標(biāo)都是這三者同時(shí)齊備的結(jié)果。增補(bǔ)任何一個(gè)環(huán)節(jié)輻射強(qiáng)度都能明顯下降掐斷其中任何一個(gè)輻射問(wèn)題基本就解決了。這個(gè)案例里干擾源是開(kāi)關(guān)電源的MOSFET。DC-DC工作在200kHz左右MOSFET開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)漏極電壓在幾十納秒內(nèi)完成從0到幾十伏的跳變這個(gè)dv/dt非常陡峭會(huì)產(chǎn)生很寬的頻譜分量。注意開(kāi)關(guān)頻率是200kHz但頻譜分量能一直延伸到幾十MHz甚至上百M(fèi)Hz這就是為什么輻射測(cè)試要從30MHz往后看——高頻分量才是輻射發(fā)射的主角。耦合路徑有兩條傳導(dǎo)和空間。傳導(dǎo)路徑上開(kāi)關(guān)噪聲通過(guò)電源線(xiàn)、地線(xiàn)往外傳最終在連接線(xiàn)纜上形成共模電流空間路徑上開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出二極管附近的強(qiáng)電磁場(chǎng)直接感應(yīng)到PCB上的長(zhǎng)走線(xiàn)和散熱片上。這個(gè)案例里我們后面會(huì)看到輸出整流二極管的反向恢復(fù)引起的振鈴直接把能量耦合到了外部接口線(xiàn)纜上。天線(xiàn)更直接PCB上的任何金屬走線(xiàn)、連接器的線(xiàn)纜、散熱片、安裝孔周?chē)你~箔都是潛在的天線(xiàn)。這里有個(gè)概念需要強(qiáng)調(diào)線(xiàn)纜天線(xiàn)的效率非常高。一個(gè)30cm長(zhǎng)的線(xiàn)纜在100MHz附近就接近四分之一波長(zhǎng)諧振所以很多輻射超標(biāo)能量其實(shí)都是通過(guò)線(xiàn)纜輻射出來(lái)的而不是PCB本身。2.2 從頻譜特征判斷干擾來(lái)源拿到頻譜儀或EMI接收機(jī)的輻射發(fā)射測(cè)試圖第一件事不是著急改電路而是先讀圖。我做EMC整改這些年總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)是頻譜上的噪聲形態(tài)直接告訴你干擾的類(lèi)型幫你快速縮小排查范圍。寬帶底噪整體抬高包絡(luò)呈現(xiàn)“山丘”形從低頻一直延伸到幾十MHz這通常是開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)諧波在作怪諧波次數(shù)越高幅度衰減越慢說(shuō)明dv/dt太陡或者回路面積太大。高頻段30MHz以上出現(xiàn)明顯的窄帶尖峰間隔均勻、像梳子一樣的譜線(xiàn)這往往是數(shù)字時(shí)鐘的諧波或者開(kāi)關(guān)噪聲的某個(gè)高次諧波在特定頻率與線(xiàn)纜天線(xiàn)形成諧振。單個(gè)孤立的尖峰旁邊沒(méi)有伴生譜線(xiàn)大概率是某個(gè)諧振點(diǎn)比如散熱片與地之間的寄生電感電容諧振或者連接器線(xiàn)纜的長(zhǎng)度正好在某頻點(diǎn)形成四分之一波長(zhǎng)天線(xiàn)。這次案例的測(cè)試曲線(xiàn)就是第一類(lèi)加第二類(lèi)的混合體低頻段整體抬高30MHz到100MHz寬帶噪聲疊加了很多尖峰。寬帶底噪的來(lái)源基本可以鎖定在電源部分尖峰則與具體的諧振結(jié)構(gòu)相關(guān)。所以我當(dāng)時(shí)的判斷是先拿近場(chǎng)探頭去PCB上“掃雷”把熱點(diǎn)區(qū)域找出來(lái)再動(dòng)手。2.3 近場(chǎng)探頭實(shí)測(cè)定位熱點(diǎn)區(qū)域的鎖定過(guò)程近場(chǎng)探頭配頻譜儀是排查輻射超標(biāo)的利器。操作方式不復(fù)雜把頻譜儀設(shè)置成Max Hold模式用近場(chǎng)探頭貼著PCB表面慢慢移動(dòng)觀察頻譜儀上的幅度變化。幅度明顯高的位置就是用“熱點(diǎn)”。我這臺(tái)設(shè)備的定位過(guò)程很有意思。探頭從電源模塊上面掃過(guò)的時(shí)候頻譜儀上的寬帶底噪明顯抬高當(dāng)探頭靠近輸出整流二極管附近時(shí)30MHz到100MHz的噪聲幅度陡然增加了一個(gè)臺(tái)階——說(shuō)明噪聲源就在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出二極管周?chē)Ｔ儆铆h(huán)形探頭順著接口線(xiàn)纜走一遍發(fā)現(xiàn)線(xiàn)纜末端也有明顯的共模電流電流探頭夾在電纜上能測(cè)到幾十mA的共模噪聲。這說(shuō)明干擾不僅從PCB上輻射還通過(guò)線(xiàn)纜把能量帶出去了。定位做完結(jié)論就清楚了干擾源MOSFET開(kāi)關(guān)瞬態(tài) 輸出二極管反向恢復(fù)振鈴。耦合路徑電源輸入走線(xiàn)、輸出走線(xiàn)、地平面上的噪聲電流傳導(dǎo)到接口線(xiàn)纜形成共模輻射。天線(xiàn)接口線(xiàn)纜是主要輻射體PCB上的長(zhǎng)走線(xiàn)和散熱片也貢獻(xiàn)了一部分。有了這個(gè)判斷整改方向就明確了一邊從源頭抑制dv/dt和振鈴一邊在電源輸入口加濾波電路切斷傳導(dǎo)路徑再配合PCB布局優(yōu)化減小回路面積。后面三個(gè)章節(jié)我會(huì)按實(shí)際整改順序展開(kāi)——先濾波電路再PCB布局最后驗(yàn)證和量產(chǎn)控制。3. 整改動(dòng)作一EMI濾波電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選型3.1 濾波器拓?fù)湓趺催x共模、差模各管一段提到EMI濾波電路很多人第一反應(yīng)就是“往電源入口加個(gè)電感電容”。但濾波電路的拓?fù)涫怯兄v究的不是隨便拼幾個(gè)器件就能有效果。電源輸入端的EMI濾波器核心功能就是把開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲“堵”在設(shè)備內(nèi)部不讓它跑到線(xiàn)纜上去。標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)涫荴電容 共模扼流圈 Y電容 差模電感按順序排列。需要注意差模電感和共模扼流圈在結(jié)構(gòu)上往往是集成的——共模扼流圈的兩個(gè)繞組如果存在繞制不對(duì)稱(chēng)就會(huì)產(chǎn)生漏感這個(gè)漏感恰好可以作為差模電感使用。很多成品濾波器內(nèi)部就是靠共模扼流圈的漏感來(lái)吸收差模噪聲的不必額外加一個(gè)大體積差模電感。拓?fù)淅锔鱾€(gè)器件的分工要心里有數(shù)X電容跨接在L和N之間吸收差模噪聲主要針對(duì)低頻段幾百kHz到幾MHz。共模扼流圈對(duì)共模噪聲呈現(xiàn)高阻抗兩個(gè)繞組繞向相反正常工作電流在磁芯里產(chǎn)生的磁通相互抵消不會(huì)飽和。Y電容L和N分別對(duì)地給共模噪聲提供一個(gè)低阻抗的泄放路徑讓它回到源端而不是沿線(xiàn)纜往外跑。差模電感串聯(lián)在L、N線(xiàn)上抑制差模電流的高頻分量。這個(gè)案例里原設(shè)計(jì)其實(shí)“有”濾波電路——一個(gè)共模扼流圈加一個(gè)X電容但實(shí)測(cè)效果很差。拆下來(lái)一看問(wèn)題一目了然共模電感用的是錳鋅鐵氧體磁芯感量倒是挺大但頻率特性不行10MHz以上阻抗就衰減得厲害根本管不住30MHz以上的噪聲。另外Y電容根本沒(méi)有放置位置PCB上連焊盤(pán)都沒(méi)畫(huà)也就是說(shuō)共模噪聲基本是“裸奔”出設(shè)備的。3.2 共模扼流圈的選型與安裝禁忌共模扼流圈的選型核心看三點(diǎn)額定電流、感量、頻率特性。這里重點(diǎn)講頻率特性因?yàn)檫@是最容易搞錯(cuò)的地方。鐵氧體磁材分兩類(lèi)錳鋅鐵氧體和鎳鋅鐵氧體。錳鋅的初始磁導(dǎo)率高幾千u低頻阻抗效果好但高頻性能衰減快鎳鋅的初始磁導(dǎo)率低幾百u(mài)但高頻阻抗穩(wěn)定能管到幾十MHz甚至更高。很多工程師習(xí)慣性選大感量的錳鋅磁環(huán)結(jié)果就是低頻濾波效果不錯(cuò)高頻段完全失守——這次案例就是這樣。我的處理方案保留原位置但換磁材。將錳鋅磁環(huán)換成鎳鋅磁環(huán)繞制圈數(shù)重新計(jì)算目標(biāo)感量在1mH左右這個(gè)值留有余量因?yàn)楦辛刻笤褦?shù)多分布電容也會(huì)增大反而在某個(gè)高頻點(diǎn)形成自諧振讓濾波效果斷崖式下跌。這里有個(gè)細(xì)節(jié)共模扼流圈的自諧振頻率一定要遠(yuǎn)高于你需要抑制的頻段否則在諧振點(diǎn)附近阻抗塌陷EMI性能會(huì)突然劣化。選型時(shí)直接問(wèn)供應(yīng)商要阻抗-頻率曲線(xiàn)看10MHz、30MHz、100MHz三個(gè)頻點(diǎn)的阻抗值比看感量更有參考價(jià)值。共模扼流圈在PCB上還有一個(gè)常被忽略的安裝禁忌下方不能有銅箔鋪地也不能讓其他走線(xiàn)從磁芯正下方穿過(guò)。因?yàn)楣材６罅魅Φ穆┐艜?huì)在下方的銅箔上感應(yīng)出渦流這個(gè)渦流環(huán)路本身就是個(gè)次級(jí)輻射源。實(shí)際整改中我在共模電感下方兩個(gè)焊盤(pán)之間掏空了銅皮保留凈空區(qū)輻射值又往下壓了1~2dB。3.3 Y電容選型與放置數(shù)值、位置都是敏感點(diǎn)Y電容的作用是給共模電流提供回流路徑。共模電流從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)出發(fā)通過(guò)寄生電容流到地平面或機(jī)殼再沿線(xiàn)纜流出去。Y電容提供了一條低阻抗路徑讓共模電流在PCB內(nèi)部就“短路”回源而不是外溢到線(xiàn)纜上。Y電容的容值選擇有一個(gè)天花板漏電流要求。醫(yī)療和手持設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)一般工業(yè)設(shè)備按0.1mA到0.5mA等級(jí)控制。對(duì)220V輸入Y電容容值通常在1nF到4.7nF之間。這個(gè)案例的模塊是48V輸入漏電流壓力小一些我最終選了2.2nF的Y電容安規(guī)等級(jí)Y2耐壓和可靠性都有保障。Y電容放置的位置比數(shù)值更關(guān)鍵必須接在共模扼流圈之后靠近設(shè)備內(nèi)部一側(cè)而且Y電容的接地點(diǎn)要盡量靠近開(kāi)關(guān)電源的輸入地端子保證共模電流的回流路徑最短。有些人把Y電容接到PCB邊緣的安裝孔地結(jié)果電流繞了大半個(gè)板子才回去——這等于把一個(gè)低阻抗通路變成了天線(xiàn)饋電點(diǎn)越改越糟。這次案例里因?yàn)橹虚g層有完整地平面我把Y電容的接地點(diǎn)直接打過(guò)孔接到輸入地縮短了回流路徑。實(shí)測(cè)下來(lái)30MHz到60MHz頻段的噪聲幅度明顯下降。3.4 差模電感參數(shù)放多少感量才算夠差模電感量不是拍腦袋定的它和你的目標(biāo)衰減量相關(guān)。公式是L (Vin_min × D) / (ΔI × f_sw)其中Vin_min是最低輸入電壓D是占空比ΔI是允許的輸入電流紋波f_sw是開(kāi)關(guān)頻率。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電感設(shè)計(jì)公式但用在EMI濾波器的差模電感上通常我們不需要把紋波壓到很小——差模電感的主要作用是把差模噪聲的電流源轉(zhuǎn)為電壓源方便X電容吸收所以取值一般比主功率電感小一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)操上我習(xí)慣用經(jīng)驗(yàn)值起步幾u(yù)H到幾十uH然后根據(jù)實(shí)測(cè)頻譜的超標(biāo)情況調(diào)整。這次案例里差模噪聲的影響主要在5MHz以下原設(shè)計(jì)用了10uH差模電感但位置放在X電容之后順序反了——電感應(yīng)該在X電容之后嗎嚴(yán)格的順序是電源入口→X電容→共模扼流圈→差模電感→Y電容→內(nèi)部電路。差模電感和X電容組合構(gòu)成一個(gè)LC低通如果差模電感在X電容之前高頻阻抗失配濾波效果大打折扣。當(dāng)然這個(gè)案例的差模電感改動(dòng)不大真正讓高頻輻射降下去的是前面共模扼流圈和Y電容的組合。但這從順序上也再次證明每個(gè)器件的位置和拓?fù)漤樞蚨际请姶偶嫒菰O(shè)計(jì)的一部分任何一個(gè)環(huán)節(jié)的缺失或者錯(cuò)位都會(huì)在頻譜上“兌現(xiàn)”出來(lái)。4. 整改動(dòng)作二PCB布局怎么過(guò)EMI的實(shí)戰(zhàn)優(yōu)化4.1 核心原則讓高頻電流回路短、再短一點(diǎn)很多工程師到了PCB布局階段才想起來(lái)問(wèn)“PCB布局怎么過(guò)EMI”其實(shí)這類(lèi)問(wèn)題應(yīng)該從布局一開(kāi)始就帶著EMC思維去考慮。所謂EMC的PCB布局回到根本就一個(gè)原則任何高頻電流的回路面積要盡量小路徑要盡量短不要在PCB上形成“大環(huán)天線(xiàn)”。開(kāi)關(guān)電源的功率回路是最典型的例子。以Buck電路為例高頻電流流過(guò)的路徑是輸入電容→MOSFET→電感→負(fù)載→返回輸入電容。這個(gè)回路里MOSFET開(kāi)關(guān)瞬間的di/dt非常大如果回路面積大就是一個(gè)高效的磁場(chǎng)輻射天線(xiàn)。所以輸入電容必須緊挨著MOSFET的漏極和源極擺放不是“盡量靠近”而是“必須貼臉?lè)拧?。這個(gè)案例里原設(shè)計(jì)的輸入電容距離MOSFET大約8mm中間還隔了一個(gè)走線(xiàn)過(guò)孔導(dǎo)致高頻回路面積被拉大20MHz以上的輻射整體抬高。整改時(shí)我把輸入電容挪到MOSFET同一面兩個(gè)引腳直接用短寬銅箔連接回路面積壓縮到原來(lái)的三分之一以下——這個(gè)動(dòng)作對(duì)30MHz到50MHz頻段的改善非常顯著。還有一個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū)覺(jué)得“地面積越大越好不管什么信號(hào)都給它鋪地”。實(shí)際上不連續(xù)的地平面或者被分割得七零八落的地平面反而會(huì)迫使回流電流繞道形成更大的環(huán)路。這里的原則是給高速或大電流信號(hào)一個(gè)連續(xù)的回流參考平面不要在回流路徑上開(kāi)槽開(kāi)洞。很多工程師的習(xí)慣是為了隔離數(shù)字模擬地在中間劃一道縫但在高頻下這會(huì)引來(lái)更大的問(wèn)題——跨分割走線(xiàn)會(huì)讓回流電流走一個(gè)很大的迂回路徑輻射超標(biāo)基本都是這么來(lái)的。4.2 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出二極管的布局處理開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW節(jié)點(diǎn)的覆蓋銅面積是一個(gè)需要控制的矛盾體面積小了散熱不好面積大了輻射增強(qiáng)。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)高頻電壓擺動(dòng)的節(jié)點(diǎn)它本身就是一個(gè)輻射源鋪銅面積越大等效天線(xiàn)尺寸越大。折中方案是鋪銅面積剛好滿(mǎn)足載流和散熱需求即可不要為了“看著飽滿(mǎn)”而大面積鋪銅。另外開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)下方不能有敏感信號(hào)走線(xiàn)特別是不能有并行的長(zhǎng)走線(xiàn)——這樣會(huì)形成容性耦合把開(kāi)關(guān)噪聲引入到信號(hào)路徑。在多層板設(shè)計(jì)里最好在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的正下方留一塊完整地平面用“法拉第籠”的思路把場(chǎng)限制局部。輸出整流二極管的是另一個(gè)重點(diǎn)二極管反向恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電流尖峰和振鈴這個(gè)振鈴頻率通常在幾十MHz到上百M(fèi)Hz和本次超標(biāo)的68MHz尖峰直接相關(guān)。處理思路有三個(gè)一是選用反向恢復(fù)時(shí)間更快的二極管超快恢復(fù)或SiC二極管從源頭降低振鈴能量二是在二極管兩端并聯(lián)一個(gè)RC吸收電路阻尼振鈴三是在二極管兩端并聯(lián)一個(gè)小磁珠把高頻分量就地消耗掉。這次案例中我同時(shí)在二極管管腳處加了RC吸收并用一根很短的磁珠串聯(lián)在二極管陰極68MHz尖峰直接壓下去5dB以上。RC吸收電路的參數(shù)不是隨便定的C的取值決定吸收頻段R的取值決定阻尼程度。我習(xí)慣先實(shí)測(cè)振鈴頻率本案例振鈴大約在65MHz到70MHz。吸收電容的容值取振鈴周期對(duì)應(yīng)的特征阻抗和經(jīng)驗(yàn)值一般幾百pF起步電阻在幾歐到幾十歐之間調(diào)試最終取了15Ω和470pF的組合。注意R的功率別選小了高頻紋波電流會(huì)在R上發(fā)熱至少用0603以上封裝。4.3 散熱片與接地我最常被問(wèn)到的一道題耐人尋味的是在“PCB布局怎么過(guò)EMI”里大家最容易忽略的是散熱片。很多功率器件需要貼散熱片散熱片是一塊大金屬而金屬在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境里就是天線(xiàn)。散熱片如果與地之間有寄生電容高頻噪聲就能通過(guò)這個(gè)寄生電容耦合到散熱片上再往空間輻射。處理方式有兩種流派懸浮和接地。懸浮的散熱片就是一個(gè)天線(xiàn)除非面積特別小或電場(chǎng)耦合特別弱——實(shí)戰(zhàn)中不建議采用。接地的散熱片要注意接地方式最好用低阻抗方式接地而不是單點(diǎn)長(zhǎng)走線(xiàn)接地。因?yàn)樯崞砻娣e大高頻感應(yīng)電壓分布不均勻單點(diǎn)接地反而在散熱片的遠(yuǎn)端形成天線(xiàn)效應(yīng)。更穩(wěn)妥的方案是多點(diǎn)接地或通過(guò)導(dǎo)電泡棉與機(jī)殼大面積接觸。這個(gè)案例里MOSFET的散熱片原本懸空我用示波器探頭靠近散熱片時(shí)能看到明顯的耦合電壓。整改時(shí)在散熱片上加裝了接地彈片通過(guò)螺釘連接到地平面并在接觸面涂了導(dǎo)熱硅脂保證電氣接觸。這個(gè)動(dòng)作在50MHz以上的頻譜上衰減效果非常明顯——耦合到散熱片上的能量沒(méi)了去處輻射自然下降。4.4 接口線(xiàn)纜與連接器的共模抑制前面說(shuō)過(guò)本案例的主要輻射天線(xiàn)其實(shí)是接口線(xiàn)纜。線(xiàn)纜的共模電流從哪里來(lái)的來(lái)自PCB上的地電位波動(dòng)。當(dāng)PCB上的噪聲地電位相對(duì)大地波動(dòng)就會(huì)在線(xiàn)纜上產(chǎn)生共模電壓驅(qū)動(dòng)線(xiàn)纜對(duì)外輻射。解決接口線(xiàn)纜的共模輻射最有效的武器是共模扼流圈。很多場(chǎng)合會(huì)在接口處套一個(gè)磁環(huán)共模扼流圈的成品形態(tài)套上線(xiàn)纜后線(xiàn)纜上的共模電流被高阻抗擋住輻射大幅下降。但成品磁環(huán)是“事后補(bǔ)救”更好的做法是在PCB上預(yù)留共模濾波器的位置。這個(gè)案例的處理我在接口端子旁邊預(yù)留了共模電感和對(duì)地Y電容的位置共模電感與Y電容的接地點(diǎn)直接連接到一個(gè)“干凈”的參考地即輸入電源地不要接近接口地或機(jī)殼地形成對(duì)共模電流的閉環(huán)抑制。套用之前講的原則Y電容回流的路徑一定要短而且絕對(duì)不能和信號(hào)回流地回路交叉。很多工程師把接口共模濾波器的Y電容接到機(jī)殼地上以為這樣最安全結(jié)果機(jī)殼地和信號(hào)地之間存在高頻地電位差反而讓濾波效果大打折扣。正確的做法是Y電容接在共模扼流圈靠近內(nèi)部電路的一側(cè)接地點(diǎn)選擇輸入電源的負(fù)極讓共模電流在PCB內(nèi)部完成回路不依賴(lài)外部大地。5. 整改驗(yàn)證與量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)5.1 復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)整改前后到底改了什么整套整改動(dòng)作完成后回到實(shí)驗(yàn)室復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)說(shuō)明一切30MHz到100MHz頻段全部降到限值線(xiàn)以下并留有至少6dB的裕量。68MHz尖峰從超標(biāo)10dB轉(zhuǎn)為低于限值8dB合計(jì)壓下去18dB。寬帶底噪整體下降了8dB以上曲線(xiàn)形態(tài)從“到處是山”變成“基本平直”。這個(gè)結(jié)果在CE標(biāo)志認(rèn)證中屬于比較理想的狀態(tài)輻射發(fā)射測(cè)試項(xiàng)一次通過(guò)不需要反復(fù)送測(cè)。不過(guò)復(fù)測(cè)只是一只腳踩到了岸上量產(chǎn)階段的坑還在后面。5.2 電氣性能是否受影響效率、紋波、溫升濾波電路不是白加的它要消耗能量、增加壓降、影響穩(wěn)定性所以做完整改一定要回測(cè)關(guān)鍵電氣指標(biāo)。這次我給共模扼流圈換成了鎳鋅磁芯感量變小了一些要確認(rèn)輸入端的紋波電流是否因此變大加了Y電容和RC吸收要確認(rèn)靜態(tài)功耗和溫升是否可接受。實(shí)測(cè)結(jié)果電源轉(zhuǎn)換效率下降了約0.3%在可接受范圍內(nèi)。輸出電壓紋波變化不大與整改前基本持平。共模扼流圈和RC吸收電阻的溫升穩(wěn)定運(yùn)行2小時(shí)后均不超過(guò)40℃溫升可靠性沒(méi)有問(wèn)題。為什么效率只降了這么一點(diǎn)因?yàn)楣材６罅魅υ谡９ぷ麟娏飨麓磐ㄏ嗷サ窒麚p耗較小Y電容屬于輕載元器件RC吸收消耗的是本來(lái)就要發(fā)熱的振鈴能量反而降低了二極管的溫度。所以一個(gè)好的EMI設(shè)計(jì)不僅不影響性能還往往能改善器件的熱應(yīng)力。5.3 量產(chǎn)一致性不要只認(rèn)“實(shí)驗(yàn)室的板子”做EMC整改最怕的一件事實(shí)驗(yàn)室里的樣機(jī)通過(guò)了量產(chǎn)卻不穩(wěn)定十臺(tái)里有兩三臺(tái)輻射值飄到限值線(xiàn)上。原因幾乎都出在一致性控制上。第一元器件的批次差異。共模扼流圈的磁材批次波動(dòng)很大不同廠家的同規(guī)格型號(hào)阻抗-頻率曲線(xiàn)可能差出一倍。我踩過(guò)這個(gè)坑選了一家便宜的供應(yīng)商首版驗(yàn)證通過(guò)了小批量試產(chǎn)時(shí)50MHz附近輻射超標(biāo)換回原廠的磁環(huán)立刻通過(guò)。所以定型后不要隨意換供應(yīng)商每批來(lái)料必須抽測(cè)阻抗曲線(xiàn)。第二PCB加工的一致性。阻抗控制、層壓工藝、銅箔厚度波動(dòng)都會(huì)影響EMC性能。特別是多層板的內(nèi)層間距直接影響寄生電容而寄生電容是共模電流的重要路徑。生產(chǎn)時(shí)要盯住PCB廠的關(guān)鍵參數(shù)不能只標(biāo)個(gè)“按常規(guī)工藝”就完事。第三裝配的一致性。散熱片接地彈片的接觸電阻、屏蔽罩的扣合程度、線(xiàn)纜的走向固定這些手工裝配環(huán)節(jié)最容易引入隨機(jī)性。此前見(jiàn)過(guò)一個(gè)案例同一批產(chǎn)品A線(xiàn)裝配的屏蔽罩固定良好B線(xiàn)裝配時(shí)工人漏裝了一顆接地螺釘結(jié)果B線(xiàn)整批輻射超標(biāo)。因此需要把EMC相關(guān)的裝配步驟寫(xiě)進(jìn)作業(yè)指導(dǎo)書(shū)并標(biāo)記為關(guān)鍵工序。5.4 常見(jiàn)問(wèn)題速查表我把這次整改過(guò)程里踩過(guò)坑和常用結(jié)論整理成一張表供大家對(duì)照超標(biāo)頻段與特征大概率原因優(yōu)先整改動(dòng)作30MHz以下寬帶抬升差模噪聲、開(kāi)關(guān)電源基頻諧波加大X電容、調(diào)整差模電感位置和感量30MHz-100MHz寬帶尖峰開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴、二極管反向恢復(fù)減小功率回路面積、加RC吸收、換快恢復(fù)二極管100MHz以上孤立尖峰線(xiàn)纜諧振、散熱片天線(xiàn)接口加共模扼流圈、散熱片多點(diǎn)接地、線(xiàn)纜套磁環(huán)多個(gè)等間隔窄帶尖峰數(shù)字時(shí)鐘諧波時(shí)鐘線(xiàn)包地、串阻、減少過(guò)孔換層檢查信號(hào)回流路徑頻譜隨負(fù)載增大而增大電源功率級(jí)驅(qū)動(dòng)能力加強(qiáng)、環(huán)路面積加大檢查輸出電容擺放、減小di/dt回路這個(gè)表不能當(dāng)“萬(wàn)能公式”用但它能幫你把方向校準(zhǔn)。真正整改時(shí)還是要靠頻譜儀和近場(chǎng)探頭的實(shí)測(cè)來(lái)驗(yàn)證判斷別上來(lái)就盲目加料——那樣往往事倍功半。最后再分享一個(gè)經(jīng)驗(yàn)EMI整改最忌諱的就是“沒(méi)有定位就動(dòng)手改”。我見(jiàn)過(guò)不少工程師拿到超標(biāo)報(bào)告第一反應(yīng)是往電源入口堆磁珠、換電容結(jié)果改了半天頻譜紋絲不動(dòng)。正確的流程永遠(yuǎn)是先用近場(chǎng)探頭和頻譜儀找出熱源分析干擾類(lèi)型再?zèng)Q定是調(diào)濾波電路還是改PCB布局然后再動(dòng)手。定位花的時(shí)間永遠(yuǎn)會(huì)在后續(xù)整改中省回來(lái)。這個(gè)案例的整個(gè)周期從定位、整改到復(fù)測(cè)通過(guò)一共花了一周其中四天都在分析和實(shí)驗(yàn)真正焊接改動(dòng)不到半天——這就是“三要素分析”的威力。