汽车DCDC EMI（下）系统 EMI 优化

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上期回顾：汽车DCDC EMI（中）之芯片 EMI 优化设计

本期内容

各位“攻城狮”朋友们，前两期我们分析了DCDC的EMI噪声源，和怎样选择一颗EMI性能优秀的DCDC，今天让我们来继续讨论：汽车DCDC的系统EMI优化。

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针对DCDC的系统EMI设计，通常需要从下面四个方向进行考虑：

• 原理图

• EMI滤波器

• PCB Layout

• 屏蔽罩设计

但DCDC原理图、EMI滤波器和屏蔽罩的设计都相对比较单一，并且有迹可循，而 PCB的 Layout 则非常考验工程师对EMI的理解。

本期我们会来重点介绍DCDC的 PCB Layout，前面的电源小课堂，我们讲了，共模噪声是由高频电流环 di/dt 和开关节点dv/dt 产生的。

针对 di/dt 的优化

这里我们还是以 Buck 为例，Buck的高频电流环 di/dt 会产生共模噪声，这个环路是由输入电容和两个开关管组成的区域，这个环路的大小，甚至会直接影响EMI是否可以通过，所以针对Buck的Layout首先就是要找到这个高频环路，然后尽量去缩小它。

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《汽车DCDC EMI （上）之噪声源分析》

图1

我们拿常用的同步集成 MOSFET，和非同步集成MOSFET两种 Buck 举例。

同步的MPQ4572，因为这个芯片设计的时候就考虑了EMI, 刻意将VIN和GND临近设计, 如下图：

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图2

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图3

所以layout时，只需要将输入电容尽可能的靠近芯片Vin和GND管脚，高频环路就很容易做到很小。

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图4

然后MPQ4572整体布局如上图所示，Layout非常容易将高频电流环路做到很小，所以选择一个管脚分布好的芯片，优化高频环路难度将大大降低。

但是很多时候，会用到非同步的方案，这个时候高频环路很容易搞错。例如MPQ2451，芯片只集成了一个MOSFET， 外部还有一个续流二极管。

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图5

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图6

这时，首先还是需要找到高频环路，即输入电容，MOSFET和续流二极管组成的环路。布局时需要将这三个器件靠近，保证Vin->SW->D1->C1 组成的高频环路面积最小。MPQ2451非同步的Buck的整体布局如图所示，是一个比较理想的布局。

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图7

注意，非同步的Buck，很容易将高频电容C1摆到下面这个位置，这个时候高频环路面积将大幅度增加：

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图8

针对 dv/dt 的优化

针对dv/dt的噪声，有没有办法通过Layout来减小呢？其实也是有的。dv/dt 的共模噪声，会跟开关节点对大地的寄生电容Cp有关， 这个寄生电容越大，dv/dt 产生的共模噪声就越大，越容易产生EMI问题。

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《汽车电子DCDC芯片的EMI优化设计》

图9

在PCB Layout时，开关节点SW的面积会对寄生电容产生影响，SW面积越大，SW节点寄生电容就越大，所以Layout时需要将SW的面积尽可能的做小。

图10

PCB Layout 铺地设计

那么高频环路和开关节点的面积都做到优化后，是不是EMI性能就一定很好呢？

答案是否定的，做到这两点是前置条件，设计Layout时还需要考虑整体的布局和铺地的设计。这里我们拿一个常用的长方形外形结构来看，线束和接插件在左边，考虑一个四层板的设计。

第一层，

DCDC最小系统和滤波器可以放在同一层，DCDC要远离接插件，输入滤波器尽量靠近接插件，并且远离DCDC，如果有条件的话，可以将滤波器放在板子背面。

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《汽车电子电源设计及EMI精讲》

图11

DCDC远离输入连接器和滤波器，是为了避免DCDC 近场磁场干扰滤波器，甚至直接耦合到输入线束上产生EMI问题。

整体的布局设计好后，需要考虑铺地的设计了。在第一层的铺地设计，我们建议DCDC最小系统的地不要跟板子大地直接铺满，用禁止布线的虚线隔开，因为DCDC的地比较脏，直接大面积铺地，可能会干扰板子的整个地， DCDC 的地则可以通过过孔连接到下面的地。

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《汽车电子电源设计及EMI精讲》

图12

第二层，

第二层的铺地非常重要，我们叫屏蔽地，这一层地建议用完整的地，尽量不要走线。这是因为，虽然DCDC高频环路已经优化到最小，但还是会产生磁场。

第二层完整的地，会由于涡流效应产生相反的电磁场，可以抵消高频环路电磁场，从而减小高频磁场对外耦合的可能性。

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《汽车电子电源设计及EMI精讲》

图13

第三层，

这一层可以走一些线，例如一些信号线，和输入输出的走线。

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《揭开DCDC EMI中Layout的“神秘面纱”》

图14

第四层，

同样建议用完整的GND，因为第三层有一些走线可能会有噪声，这一层完整的GND可以起到一定的屏蔽作用。

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《揭开DCDCEMI中Layout的“神秘面纱”》

图15

综合以上的布局，从源头上，减小了di/dt，dv/dt，避免了近场的磁场耦合，同时也可以利用屏蔽地来减小di/dt。

   

通过以上的电源小课堂，相信大家对DCDC 的EMI 系统设计特别是Layout的设计有了一定的理解。

那么，到目前为止，我们三期针对DCDC EMI的小课堂就讲完了，希望对大家针对DCDC的选型，以及EMI理解与应用有所帮助。

更多关于电源的小知识，欢迎大家持续关注电源小课堂。

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汽车DCDC EMI（中）之芯片 EMI 优化设计

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电源小课堂第四季第三话：汽车DCDC EMI（上）之噪声源分析

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