开关电源PCB电磁兼容性设计

1、开关电源的主要干扰源分析

前面我们分析知道开关电源有两种强的干扰源，一种是差模干扰源，也就开关电流形成的高频的di/dt回路；另一种是共模干扰源，共模干扰源有两种，一种是开关通断形成的大的dV/dt的动点，该动点经分布电容产生共模干扰，另一种是地线上的噪声电压，噪声电压驱动电缆产生共模电流对外产生辐射。

图 地噪声驱动电缆对外产生辐射

在进行PCB设计时候，我们要针对这两种干扰源进行有效的设计，从源头上对干扰源进行抑制。

针对高频的di/dt回路我们要想办法减小其回路面积，从而减小对外的辐射；针对大的dV/dt的动点，我们在PCB设计时候要刻意减小这部分的面积，而且尽可能的让其位于PCB板的靠中间区域，从而减小其与其它区域的分布电容，减少共模耦合；有高频电流流过的PCB地线上有高频电压，针对这部分地线，我们有意的增加地线的面积，减小其阻抗，从而减小地线上的噪声电压。

2、开关电源原理图分析

这里我们引入一个最简单的升压电路 ， 因为电路足够简单所以非常有助于我们入门PCB的电磁兼容设计，如果一开始我们就研究很复杂的电路，反而会让我们知难而退 。

图 电路原理图

该电路是一个简单的升压电路，外部电池供1.5V经过升压电路后给LED灯负载供4.5V电。

（1）首先我们来找主要的di/dt回路，就是电流有快速变化的回路。

图 电路的主要电流波形和高频电流回路

由于电感的电流是不能突变的，所以流过电感的电流是缓慢变化的，而开关管Q1在打开时候电感电流流过Q1，这个时候D1截止没有电流，当Q1关闭时候流过Q1的电流迅速减小为0，然后电感电流流向D1，D1上的电流迅速增加然后缓慢减小。

从上图可以看出，虽然L1电感上的电流没有突变，但是由于开关管Q1的开关，导致流过Q1和D1的电流产生了快速突变的部分，也就是上升沿和下降沿很短的电流，对这样的电流波形进行傅里叶变换，显然有高频电流成份。其实很简单，就是流过电感的电流前一半流向了Q1，后一半流向了D1，一个没有快速突变的电流，分成了两个含有快速突变的电流。

流过D1的电流给C2充电，从而使电容C2电压稳定，从而给LED灯提供稳定的电压。

经过以上分析可知，有高频电流的回路主要是上面的红色回路。所以在进行PCB布局时候这部分面积要尽可能的小。

（2）我们来找电压快速变化，也就是有大的dV/dt的动点

图 红色部分分为大的dV/dt的动点

我们很容易分析出，电压快速变的区域，也就是大的dV/dt的动点区域就是上图标红色的部分，因为当Q1导通时候，红色区域的电压为0，当Q1关闭时候，红色区域电压等于C2两端的电压+D1的导通压降，其它部分电容C1和C2连接区域电压是不会突变的，因此上图红色区域是主要的dV/dt共模干扰源。

（3）找地线噪声比较大的区域

图 地噪声较大的区域

经过上面分析我们知道了上图高频电流回路，这部分回路的地线上由于流过高频电流所以有大的地噪声，地上的噪声电压驱动电源地线对外产生辐射，所以要想办法减小该部分的地线阻抗。

3、开关电源PCB设计

针对上面的原理图分析，我们接下来进行PCB的设计分析。我们从一个不好的PCB设计开始，逐步用上面的知识将其优化成为具有的好电磁兼容性设计的PCB 。

图 原始PCB

我们先来找上面原理图中的高频电流回路：

图 高频电流回路

我们发现这个高频电流回路面积太大，很容易对外产生辐射；另外高频电流回路的地线过长，地线上共模噪声电压会较大，容易驱动电源线对外辐射。

图 地线噪声电流驱动外部电源电缆辐射

接下来我们找大的dV/dt的动点区区域：

图 具有大的dV/dt的电压快速变化的区域

我们发现这个区域较大，要想办法重新布局减小其面积另外尽量远离板子边沿区域，以减小其对外的容性共模耦合。

接下来我们对整个板子进行改板重新布局设计，主要改进围绕这三个方面：（1）减小高频回路面积；（2）减小高频电流地的地线阻抗；（3）减小电压快速变化的动点区域。

初步改板如下：

图 高频电流回路

我们可以看出高频电流回路面积减小，高频电流流过的地线长度变短。

图 具有大的dV/dt的电压快速变化的区域

具有大的dV/dt的电压快速变化的区域也变小了。

为了进一步减小地线的阻抗，同时提升整个板子的EMC性能，我们在板子空白区全部铺上地

图 在板子空白区域铺上地

到此为止，我们板子EMC性能得到了很大的改善，如果能够增加预算，将单层板变成双层板，我们可以再加一个地平面，将顶层和底层的地尽可能多的连接到一起，那么高频电流回路会进一步的减小，地阻抗也会进一步减小，整个板子的EMC性能会进一步改善。

图 双层板设计打地过孔

4 总结

** 我们通过一个简单的电路将我们的电磁兼容原理知识在PCB设计上得到了很好的实践，通过这样的积累，我们从简单的电路和PCB开始，当我们具备更强的知识储备后，我们可以过渡到更复杂的PCB电磁兼容设计** 。