电源PCB设计与EMC的关联超详细分析_技术

　　【前言】说起开关电源的难点问题，PCB布板问题不算很大难点，但若是要布出一个精良PCB板一定是开关电源的难点之一（PCB设计不好，可能会导致无论怎么调试参数都调试布出来的情况，这么说并非危言耸听）原因是PCB布板时考虑的因素还是很多的，如：电气性能，工艺路线，安规要求，EMC影响等等；考虑的因素之中电气是最基本的，但是EMC又是最难摸透的，很多项目的进展瓶颈就在于EMC问题；下面从二十二个方向给大家分享下PCB布板与EMC。

　　1、熟透电路方可从容进行PCB设计之EMI电路

　　上面的电路对EMC的影响可想而知，输入端的滤波器都在这里；防雷击的压敏；防止冲击电流的电阻R102（配合继电器减小损耗）；关键的虑差模X电容以及和电感配合滤波的Y电容；还有对安规布板影响的保险丝；这里的每一个器件都至关重要，要细细品味每一个器件的功能与作用。设计电路时就要考虑的EMC严酷等级从容设计，比如设置几级滤波，Y电容数量的个数以及位置。压敏大小数量选择，都与我们对EMC的需求密切相关，欢迎大家一起讨论看似简单其实每个元器件蕴含深刻道理的EMI电路。

　　2、电路与EMC：（最熟悉的反激主拓扑，看看电路中哪些关键地方蕴含了EMC的机理）

　　上图的电路中打圈几部分：对EMC影响非常重要（注意绿色部分不是的），比如辐射大家都知道电磁场辐射是空间的，但基本的原理是磁通量的变化，磁通量涉及到磁场有效截面积，也就是电路中对应的环路。电流可以产生磁场，产生的是稳定的磁场，不能向电场转化；但变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场是可以产生电场（其实这就是有名的麦克斯韦方程我用通俗语言来说），变化的电场同理可产生磁场。所以一定要关注那些有开关状态的地方，那就是EMC源头之一，这里就是EMC源头之一（这里说之一当然后续还会讲到其它方面）；比如电路中虚线环路，是开关管开通和关断的环路，不仅设计电路时开关速度可以调节对EMC影响，布板走线环路面积也有着重要的影响！另二个环路是吸收环路和整流环路，先提前了解下，后面再讲！

　　3、PCB设计与EMC的关联

　　PCB环路对EMC的影响非常重要，比如反激主功率环路，如果太大的话辐射会很差。

　　滤波器走线效果，滤波器是用来滤去干扰的，但若是PCB走线不好的话，滤波器就可能失去应该有的效果。

　　结构部分，散热器设计接地不好会影响，屏蔽版的接地等；

　　敏感部分与干扰源头过近，比如EMI电路与开关管很近，必然会导致EMC很差，需要有清晰的隔离区域。

　　RC吸收回路的走线。

　　Y电容接地与走线，还有Y电容的位置也很关键等等！

　　先想到这说这些，后续会具体讨论，先起个引子。

　　下面举一个小例子：

　　如上图中虚线框，X电容引脚走线做了内缩的处理，大家可以学习下，如何让电容引脚走线外挂（采用挤电流走线）。这样X电容的滤波效果才能够达到最佳状态。

　　4、PCB设计之准备事项：（准备充分了，方可设计步步稳健，避免设计推翻重来）

　　大致有以下的一些方面，都是自己设计过程会去考虑，所有的内容跟别的教程无关，都是只是自己的经验总结。

　　外观结构尺寸，包括定位孔，风道流向，输入输出插座，需要与客户系统匹配，还需要与客户沟通装配上的问题，限高等等。

　　安规认证，产品做哪种认证，哪些地方做到基本绝缘爬电距离要留够，哪些地方做到加强绝缘留够距离或开槽。

　　封装设计：有没有特殊期间，如定制件封装准备。

　　工艺路线选定：单面板双面板选择，或是多层板，根据原理图及板子尺寸，成本等综合评估。

　　客户的其他特殊要求。

　　结构工艺相对会更灵活，安规还是比较固定的部分，做什么认证，过什么安规标准，当然也有一些安规是很多标准中通用的，但也有一些特殊产品比如医疗会比较严苛。

　　为了新入门工程师朋友们不至于眼花缭乱；

　　接下来列出些普遍产品通用的，下面是对于IEC60065总结出来的具体布板要求，针对安规需要牢记，碰到具体产品要会针对性处理：

　　输入保险丝焊盘制件的距离安规要求大于3.0MM，实际布板按照3.5MM（简单说保险丝前按照3.5MM爬电距离，之后按照3.0MM爬电距离）

　　整流桥前后安规要求2.0MM，布板按照2.5MM。

　　整流后安规一般不做要求，但是高低压间根据实际电压大小留距离，习惯400V高压留2.0MM以上。

　　初次级间安规要求6.4MM（电气间隙），爬电距离按照7.6MM为最佳。（注意这个跟实际输入电压相关，需要查表具体计算，提供数据仅供参考，以实际场合为准）

　　初次级用冷地，热地标识清晰；L，N标识，输入AC INPUT标识，保险丝警告标识等等都需要清晰标出；

　　再次重申实际安规距离跟实际输入电压相关以及工作环境有关，需要查表具体计算，提供数据仅供参考，以实际场合为准。

　　5、PCB设计之安规考虑其它因素

　　明白自己产品做什么认证，属于什么产品种类，比如医疗，通信，电力，TV等各不相同，但也有很多相通的地方。

　　安规中与PCB布板紧密的地方，了解绝缘的特点，哪些地方是基本绝缘，哪些地方是加强绝缘，不同标准绝缘距离是不一样的。最好是会查标准，并且会计算电气距离，爬电距离。

　　产品的安规器件重点注意，比如变压器磁性与原副边关系；

　　散热器与周边距离问题，散热器接的地不一样绝缘情况也不一样，接大地还是冷地，热地绝缘也布一样。

　　保险的距离特别注意，要求最严格地方。保险丝前后距离布一致。

　　Y电容与漏电流，接触电流关系。

　　等等，后续会详细说明距离该怎么留，如何做好安规要求。

　　6、PCB设计之电源布局

　　首先衡量PCB尺寸与器件数量，做到疏密有致，要不然一块密，一块稀疏很难看。

　　将电路模块化，以核心器件为中心，关键器件优先放的原则一次放置器件。

　　器件呈垂直或水平防置，一是美观，二是方便插件作业，特殊情况可以考虑倾斜。

　　布局时需要考虑到走线，摆放到最合理位置方便后续走线。

　　布局时尽可能减小环路面积，四大环路后面会详解到。

　　做到上述几点，当然要灵活运用，比较合理的布局很快就会诞生。

　　下面是我画的第一块处女PCB板，好多年前的事情，当时非常的艰苦完成的，中间可能有小问题，不过大体布局还是值得学习的：

　　此图功率密度还是比较高，其中LLC的控制部分，辅助源部分以及BUCK电路驱动（大功率多路输出）部分在小板上，就没拿出来，看看主功率方面的布局特点吧：

　　输入输出端子是固定死的，不能动，板子是长方形的，主功率流向如何去选择？这里采用由下至上，由左及右的方式来布局，散热是依靠外壳。

　　EMI电路还是清晰的流向，这点很重要，要不混乱了不美观也对EMC不好。

　　大电容的位置尽量考虑到了PFC环路以及LLC主功率环路；

　　副边的电流比较大，为了走电流，以及整流管散热，采用了这样的布局，整流管在上，BUCK电路MOS管在下，散热分散效果好；大功率的顶层一般走负，底层走正。

　　每个板子有自己的特点，当然也有自己的难处，如何合理解决是关键，大家从中能理解布局合理选取的含义吗？

　　7、PCB实例赏析

　　可以根据之前谈论的PCB布局要点，检视此板，是否做的很到位，我认为是做到比较好的地方了，当然瑕疵总会有，也可以提出来，单面板如此紧凑能做到这样已实属不易了，可以借此板学习讨论！后面还会针对此板讲解学习，大家先欣赏下。

　　8、PCB设计之四大环路认识：（PCB布局的基本要求就是四大环路面积小）

　　补充一下，吸收环路（RCD吸收以及MOS管的RC吸收，整流管的RC吸收）也很重要，也是产生高频辐射的环路，对上图有任何疑问，都欢迎讨论，不怕任何质疑，只要是针对问题的质疑，一起讨论学习才能更大的进步！

　　9、PCB设计之热点（浮动电位点）及地线：

　　注意事项：

　　针对热点，一定要特别注意（高频开关点），是高频辐射点，布局走线对EMC影响很大。

　　热点构成的环路小，走线短，并且走线不是越粗越好，而是够走电流够用就好。

　　地线要单点接地。主功率地和信号地分开，采样地单独走。

　　散热器的地需要接主功率地。

　　10、EMC整改心得体会

　　均为个人理解，或许与传统资料教材有差异，请自己斟酌，反正我觉得很多通用的教材结果没我自己总结的使用，自夸了。想说的很多，可能有些乱，都是实践出来的！

　　一.EMC产生以及测试时测得的结果如何去理解：简单来说就是如何对症下药，很多情况拿到第一轮测试结果，怎么将结果和电源去对照分析；主题思路如下：

　　1.针对传导，测试范围标准15K-30M，常见的EN55022是150K起。传导的源头是怎么产生的呢？针对低频，主要是开关频率以及其倍频（后续有图解），这种从源头是无法解决的，开关频率是无法消除的，当然你可以改变开关频率，那也只是将测试结果移动了，并没有真正意义上消除。只能通过滤波器来解决，一般来说对于低频采用R10K这种高磁通材质有很好的效果，磁环大小跟你功率有关系，一般达到10MH感量，甚至更大到20MH，配合Y电容一般能很好解决，低频不是难点；真正的难点是高频，个人认为，高频的起因就复杂多了，有开关导致，有变压器可能，也有电感的可能，也就就是一切存在开关状态的地方都可能存在（怎么判断具体位置，后续讲解），这里需要一番摸索；找到源头未必源头能解决，可能有改善，还是的配合滤波器。针对高频，采用低磁通材质，如镍锌环，感量一般都是UH级别的，配合合适Y电容（比较复杂的电源，建议布板时多留几个Y电容位置，方便整改）；

　　2.一些配合手段，很多教材都提到增大X电容判断差模还是共模，有一定意义可能现实帮助不大，设计时一般我们X电容都会放到合适的值。并且增大X电容就能解决差模问题，也是瞎扯，所以很多教材都是提供一定意义指导，个人觉得没什么用。我觉得比较好的手段有几个：1.对照接地和不解地总结差异，不接地可能更差，原因是系统构造的传导途径少了；也可能有改善，说明是通过地回路传导到端口。具体解决措施，针对电路接地的点Y电容进行调节以及加磁珠。2.在输入端口套磁环，若套低U环有改善，调节第一级滤波电感。3复杂的系统注意EMI电路的屏蔽措施。若措施都没什么效果，反省PCB设计，这方面在PCB设计中会讲到。

　　3.针对辐射：必须找出源头去解决，观测第一次测试结果，若是30M附近超出，跟接地相关，系统上找接地，并且要判断测试时是否接地良好，有时候输入线都有影响。2.40M-100M以内，一般是MOS管开通关断引起，有时后为了现场不好直接判断是开通还是关断，可针对性整改观测结果去验证（当然这都得花钱，后续会讲解如何用示波器去判断，这可是密招）。3 100M以上多为二极管引起，整改二极管吸收电容，大功率的有的可能是同步整流，更改MOS管吸收环路，记住有时候调整C时还得配合R整改。

　　要说的太多，后续针对具体实例去补充吧，先手打这么多，反正我打的够辛苦，能引起共鸣很难，毕竟每个人的整改经历差很多，就当给新人朋友一些启示吧，后续会举例说明！

　　11、布板走线之滤波电容走线

　　滤波电容的走线对滤波效果有至关重要的作用，走的不好，可能失去其应有的滤波效果。

　　图一是副边整流滤波走法，使二个电容效果分摊，避免第二个电容在整流回路中失效。

　　图二：为输出滤波电容走线，一定不要外挂（也就是被旁路掉），走的不好输出纹波很差。

　　12、LLC电路的布板与EMC

　　LLC电路大家最熟悉不过了，虚线圆圈是驱动电路，在电路设计时紧靠MOS管放置，也就是说IC提供的驱动只需要引二根线拉到驱动电路，驱动电路离MOS管近，避免被干扰（同时走线时也要注意驱动干扰到敏感信号，既是敏感信号也是干扰源）；一旦驱动被干扰电源可想而知。

　　同理同步整流的MOS管驱动也要离同步整流管近，设计原理图时像此图这样放就能很好理解，假如你将这电路给PCB工程师布板，他就很直观如何布局走线，你若是画得很乱，很多PCB工程师对电路理解得布透彻可能就容易布错板。

　　另外：原边有一个重要的环路，PFC电容与MOS管以及变压器，谐振电感，谐振电容构成的环路面积小；

　　副边整流滤波环路同样重要，电容的走线之前讲过，也很重要；

　　走线时注意高低压的距离，有些地方电压是浮动的，必须当作高压来对待，比如上管驱动以及对应的参考电压。

　　至于EMC方面LLC的开通是软开关，开通对EMC几乎没有影响，重点关注是关断速度的快慢对EMC影响；还有MOS管结电容并的电容对EMC影响很大，选择电容不合适，或是不加（MOS管自身也有结电容）对EMC都可能有影响，这是重点注意的地方；此图没有Y电容，在MOS管正或者负防置Y电容也能很好滤去开关干扰；

　　对此电路有什么疑问的，可以提出来讨论，在讨论中彼此成长！

　　13、电路设计与布板之PFC

　　上图是典型的BOOST PFC电路：

　　左边绿色方框部分是驱动电路，和之前LLC拓扑驱动一样，离MOS就近放置，原理图上就体现出来。

　　右边绿色虚线方框部分，是MOS管关断尖峰吸收电路，一样与MOS管构成环路要最小；

　　另外二大重要环路，一是MOS管开通环路（虚线红色图），另一个是MOS管关断环路（实线红色图）；环路面积尽可能小；

　　14、磁环在EMC中妙用

　　有的产品EMC很难在源头上去处理的，可以采用磁环滤波，当然我这里说的磁环有二个层面的意思，一方面是输入输出端的滤波电感，采用不同材质磁环，不同匝数会有对应的效果，还有一方面意思是直接在输入输出线上套磁环，有时能起到妙用，但不是在所有场合都能用，起码还是能作为判断依据；

　　上图蓝色和黑色线是输出正负端，上面套了个磁环，解决了输出整流管引起的高频端超出；有些时候端口的干扰在PCB板上加滤波器未必有效果，在输出线上放磁环就有想不到的效果。

　　15、PCB走线之关键信号

　　注意：

　　CS信号（采样信号）：从采样电阻R25，R26拉出，注意IC的地线以采样电阻为基准，采样电阻的正负差分走线拉倒IC CS脚以及IC 的GND脚。

　　驱动信号从驱动电路拉倒IC驱动引脚，注意不要干扰到CS脚；如图走线三根线并排走，并且将地线走在驱动先和CS线中间起到一定屏蔽作用；

　　双面板最好将IC一层铺地屏蔽，铺地的网络一定要从IC GND引出，非关键信号GND可直接打过孔，关键信号地需要单点接地，直接接IC；

　　FB反馈网络信号注意查分走线并且单点接IC；

　　RCD吸收网络不要放在主回路；

　　VCC的整流滤波地需要接主功率地，二级滤波可接IC 地；

　　Y电容走线单独接，不可与主功率混淆，避免干扰。

　　16、主功率及控制部分地接线示意图

　　可能很多人看到此图，云里雾里的，大致介绍下：

　　PFC的驱动和IC共地接PFC管，更具体点是接采样电阻的地；

　　DC-DC部分的驱动地和控制地接DC开关管部分的采样地；

　　辅助源部分控制地接辅助源MOS管采样第，MOS管地再接主功率地；

　　各自IC的供电地通过辅助源EC滤波接IC地，注意RC滤波靠近IC。

　　总结：注意好各自的单点接地，地线不乱，是走线最重要的地方之一！！！

　　17、电磁场屏蔽机理分析

　　图一：磁场屏蔽原理

　　如图对照：输入和输出的电场干扰可以通过电容传输耦合，若增加屏蔽板，则增加了C4的大小，并且C1也会减小，对电场干扰起到衰减的目的；

　　图二：磁场屏蔽原理

　　如图：磁场屏蔽的特点和磁场不一样，需要外壳屏蔽，电场只需要平面屏蔽板，故散热器屏蔽带来的是电场屏蔽，有的采用外壳封闭式电源则起到了一定磁场屏蔽；

　　磁场屏蔽原理，磁场通过屏蔽罩会改变磁路，导致磁力线向周围扩散，中间磁场干扰达到屏蔽目的；

　　18、开关器件与EMC

　　对器件的认识对EMC也有着重要的意义，比如MOS管，主开关MOS是很重要的EMC源头之一，还有整流管的开通以及关断也会产生高频辐射（原理是电流产生磁场，变化的电流产生电场）；当然这里主要是介绍半导体开关器件，其他的电感变压器就不做说明了；

　　开关器件哪些参数对EMC有重要影响，我们常说快管，慢管是以什么作为参照的呢？我们都知道快管开通损耗小，为了做高效率都喜欢用，但是为了EMC顺利通过，不得不舍弃效率，降低开关速度来减弱开关辐射；

　　对于MOS管，开通速度是由驱动电阻与输入结电容决定的；关断速度是由输出结电容与管子内阻决定；

　　参照以上两图，是不同型号的MOS管，对比下输入结电容和输出结电容，2400PF与800PF;780PF与2200PF；一看就知道第一个规格是快管，第二个是慢管，这时候决定开关速度还要与驱动电阻匹配；常规情况驱动电阻在10R-150R比较多，选取驱动电阻与结电容有关，针对快板驱动电阻可适当增大，慢管驱动电阻可适当减小；

　　对于二极管，有肖特基二极管，快回复二极管，普通二极管，还有一种用的比较少的SIC二极管，开关速度SIC二极管几乎为零，等于是没有反向恢复，开关辐射最小，并且损耗也最小，唯一的缺点就是价格昂贵，故很少用；其次就是肖特基二极管，正向压降低，反向恢复时间短，依次是快回复和普通二极管；需要在损耗和EMC之间折中；一般可采取改吸收以及套磁珠等措施整改EMC；

　　19、EMC之滤波器

　　滤波器的架构选择对滤波器的影响很重要，在不同场合，滤波器是根据阻抗匹配来达到滤波效果，大家可根据此图的原则参考选取如何滤波；比如最常用的输出整流桥后采用π型滤波以及输出端采用LC滤波器；

　　滤波器的材质对设计滤波电感也是至关重要，采用不同初始磁导率的材质会在不同频率段起作用，选错材质就完全失去应有的效果；

　　20、EMC之反激高频等效模型分析

　　先从最简单的模型理解EMC：

　　EMC的路径，当然空间辐射是跟环路有关，环路也是路径构造成的；分析出反激高频等效模型，帮助理解EMC形成的机理；我们的测试接收设备会从L，N端接收传导，为了减小接收的干扰，就必须让干扰通过地回路流通而不从L，N端口流向接收设备；这时候我们的EMI电感以及Y电容通过阻抗匹配就可以实现；另外原边的干扰可以通过原副边Y电容，变压器杂散电容以及大地耦合到副边，形成更多的回路；当然一些结电容参数，如MOS管结电容，散热器结电容也能构成流通路径；

　　21、辐射的形式以及频率分布