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SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?

發(fā)布時間:2021-08-01 來源:Keith Szolusha, Gengyao Li, 和 Frank Wang 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】開關(guān)模式電源(SMPS)產(chǎn)生的EMI輻射頻譜是由許多參數(shù)組成的函數(shù),包括熱回路大小、開關(guān)速度(壓擺率)和頻率、輸入和輸出濾波、屏蔽、布局和接地。一個潛在的輻射源是開關(guān)節(jié)點,在很多原理圖上稱為SW。SW節(jié)點銅可用作天線,發(fā)射快速高效的高功率開關(guān)事件產(chǎn)生的噪聲。這是大多數(shù)開關(guān)穩(wěn)壓器的主要輻射源。
 
頂層SW節(jié)點的銅量當然應(yīng)該最小化,以限制天線尺寸。通過單芯片開關(guān)穩(wěn)壓器(IC內(nèi)的電源開關(guān)),SW節(jié)點從IC一直到電感,并在頂層留下一個短走線。通過使用一個控制器(開關(guān)控制器IC外部的功率開關(guān)),SW節(jié)點可以獨立于開關(guān),遠離IC。SW節(jié)點銅在降壓和升壓開關(guān)拓撲中連接到電感的一側(cè)。由于涉及眾多性能參數(shù),PCB的XY平面中或內(nèi)層上的第1層SW節(jié)點的布局很棘手(見圖1)。
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖1.DC3008A LT8386低EMI LED驅(qū)動器上第1層的XY平面中突出顯示的SW節(jié)點
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖2.Coilcraft XAL電感上的白色條紋是短線圈引線的標記,因為線圈引線不可見。它表示端子和短引線的方向。在此連接高dv/dt以實現(xiàn)最低EMI。 
 
電感幾何形狀
 
當然,當考慮電感端子時,SW節(jié)點還會垂直延伸(在Z平面中)。電感端子的垂直方向可能會增大SW節(jié)點的天線效應(yīng)和輻射。此外,內(nèi)部電感繞組可能不是對稱的。即使電感的對稱端子表明封裝中隱藏的是對稱結(jié)構(gòu),但元件頂部的極性指示卻有另外的說法。圖2顯示了Coilcraft XAL電感系列的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)。扁平線繞組從元件底部開始,結(jié)束于頂部,因此在Z平面中,一個端子最終要比另一個端子短得多。
 
此外,側(cè)面有裸露SW節(jié)點的電感可能比具有屏蔽垂直金屬的電感更差,如圖3所示。電路板設(shè)計人員可以選擇垂直裸露端子最少的電感來減少EMI,但兩個電感端子的方向和對輻射的相對影響如何?
 
輻射反映真相
 
被測電路板的低輻射性能是IC輻射性能和布局考慮相結(jié)合的結(jié)果。即使采用低輻射單片IC,也必須慎重處理布局,同時還要考慮到關(guān)鍵輻射元件的安裝。為了證明這一點,我們考察了LT8386演示電路的主電感L1的方向?qū)﹄娐钒宓挠绊懀ㄒ妶D4)。在這種情況下,電感制造商Coilcraft規(guī)定元件上方標記有白線的為XAL6060系列電感的短端子。EMI室中的標準CISPR 25傳導(dǎo)發(fā)射(CE)和輻射發(fā)射(RE)測試表明,該電感的放置方向(見圖5)會嚴重影響性能。
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖3.不僅要注意方向,還應(yīng)注意EMI敏感設(shè)計上的電感端子類型
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖4.DC3008A LT8386低EMI LED驅(qū)動器原理示意圖中突出顯示的SW節(jié)點。將短邊端子放在方向1和方向2,比較完整輻射結(jié)果。
 
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖5.采用DC3008A LT8386 LED驅(qū)動器的Coilcraft XAL6060-223MEB電感方向輻射測試。L1方向1(左),短端子在SW節(jié)點上;L1方向2(右),長端子在SW節(jié)點上。輻射結(jié)果如圖6至圖8所示。
 
圖6、圖7和圖8表明,DC3008A的輻射性能直接受到演示電路上L1方向的影響,其他元件沒有變化。具體而言,對于方向1——即短邊端子放在SW節(jié)點上,低頻RE(150 kHz至150 MHz)和FM頻段CE(70 MHz至108 MHz)具有較低EMI。AM頻段中的17 dBµV/m至20 dBµV/m差異無法被忽略。
 
并非所有電感"生而平等"。繞組方向、端子形狀、端子連接的形狀甚至芯材料可能不同。芯材料和結(jié)構(gòu)不同的磁場和電場的強度可能會起到改變電感輻射的作用。但是,本案例研究揭示了一個需要關(guān)注的方面,我們可以把它變成有利因素。
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖6.輻射發(fā)射表明,DC3008A上的電感方向?qū)Y(jié)果有重大影響。短邊端子附著于SW節(jié)點以使SW天線最?。t色),輻射發(fā)射(RE)得到顯著改善。
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖7.電感的短邊端子附著于開關(guān)節(jié)點與另一種極性相比,電流探針方法傳導(dǎo)發(fā)射(CE)有所改善(>3 MHz)
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖8.電感的短邊端子附著于開關(guān)節(jié)點與另一種極性相比,電壓方法傳導(dǎo)發(fā)射(CE)有所改善(>3 MHz)
 
無極化指示的電感
 
如果電感制造商用絲網(wǎng)正面標記或點指出內(nèi)部端子尺寸的不同,那么很容易確定方向。如果選擇此類電感中的一種用于設(shè)計,在PCB絲網(wǎng)上、安裝圖上甚至原理圖中做上標記是明智的。遺憾的是,有些電感沒有極化或短端子指示。內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu)可能接近對稱,或者可能存在已知的結(jié)構(gòu)差異。這里沒有任何惡意——制造商可能沒有意識到其產(chǎn)品中固有的這種特定安裝方向的區(qū)別。無論如何,我們建議在認證的腔室中評估選定電感在兩個方向上的輻射,以確保高性能測量結(jié)果可重復(fù)。
 
有時候沒有外部標記,電感的安裝方向不可避免是任意的,但因為其他參數(shù),仍需要使用電感。例如,Würth Elektronik的WE-MAPI金屬合金電源電感尺寸很小,效率很高。其端子僅位于殼體的底部。每個元件的頂部WE徽標附近都有一個點,但數(shù)據(jù)手冊上并未將該點指定為繞組指示的起點(見圖9)。盡管最初這會引起一些混淆,但該元件具有相當對稱的內(nèi)部繞組結(jié)構(gòu),兩個安裝方向的性能應(yīng)當相同。因此,IC頂部的點不必在安裝絲網(wǎng)上指示出來。不過,如果用在EMI至關(guān)重要的電路中,在兩個方向上進行測試以確認性能是明智的。
 
另一示例:Würth WE-XHMI
 
我們用高性能Würth電感測試了DC3008A,封裝頂部上的點和數(shù)據(jù)手冊中指出了其繞組的起點(見圖10)。對于LT8386的外形尺寸和電流要求,74439346150 15μH電感非常適合。同樣,為了與Coilcraft進行比較,我們在兩個方向上安裝該電感以進行輻射測試(見圖11)。
 
結(jié)果(見圖12)類似于Coilcraft電感。輻射結(jié)果表明,電感的安裝方向?qū)椛溆兄@著影響。在這種情況下,圖11中的方向1顯然是最佳方向,輻射最低。方向1的較低頻率AM頻段(RE)和FM頻段(CE)輻射顯然更好。
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖9.WE-MAPI電感數(shù)據(jù)手冊未給出繞組起始點,不過元件頂部標識上有一個繞組起始點。這些電感可能沒有方向相關(guān)的輻射效應(yīng),但應(yīng)通過測試確認。
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖10.WE-XHMI系列電感的頂部標識指明了繞組起始點。
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖11.采用DC3008A LT8386 LED驅(qū)動器的Würth 74439346150("WE 150")電感方向輻射測試。L1方向1(左),繞組的短端子起始點在SW節(jié)點上;L1方向2(右),長端子在SW節(jié)點上。輻射結(jié)果如圖12所示,表明繞組起始點應(yīng)連接到SW節(jié)點以獲得最佳效果。
 
雙開關(guān)節(jié)點降壓-升壓IC(結(jié)果待續(xù))
 
顯而易見,電感方向?qū)伍_關(guān)節(jié)點升壓LED驅(qū)動器中的輻射有影響。我們可以假設(shè)升壓調(diào)節(jié)器的SW節(jié)點具有相同的特征輻射,因為電壓調(diào)節(jié)器和LED驅(qū)動電路中的功率轉(zhuǎn)換和開關(guān)元件相同。
 
我們還可以假設(shè),為使電感端子的天線效應(yīng)最小化,降壓調(diào)節(jié)器具有類似的SW節(jié)點設(shè)計優(yōu)先級。不過,由于降壓調(diào)節(jié)器的SW節(jié)點更靠近轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè),因此后續(xù)跟進工作可能有助于確定電感方向在RE和CE區(qū)域的影響是否與升壓調(diào)節(jié)器相同。
 
對于雙開關(guān)節(jié)點降壓-升壓轉(zhuǎn)換器,則有一點進退兩難。常用的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器(如 LT8390 60 V同步4開關(guān)降壓-升壓控制器系列中的轉(zhuǎn)換器)具有重要的低EMI特性(如SSFM)和小型熱環(huán)架構(gòu)。單電感設(shè)計不能清楚地揭示電感方向?qū)椛涞挠绊憽H魧⒍潭俗臃旁谝粋€SW節(jié)點上,則長端子在另一個SW節(jié)點上會起到天線的作用。在這些設(shè)計中,哪個方向最好?當所有四個開關(guān)在4開關(guān)工作區(qū)(VIN接近VOUT)中切換時,會發(fā)生什么?
 
我們將在未來的文章中探討這個問題——在不同電感方向測試帶兩個SW節(jié)點的4開關(guān)降壓-升壓型控制器的EMI。留給大家思考:對于此拓撲結(jié)構(gòu),也許有兩種以上的選擇,180°分開?
 
 
SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?
圖12.輻射和傳導(dǎo)發(fā)射表明,Würth 74439346150高性能電感的安裝方向?qū)椛浣Y(jié)果有重大影響。
 
結(jié)論
 
開關(guān)穩(wěn)壓器中電感的安裝方向很重要。測量輻射時,應(yīng)注意電感方向及其可重復(fù)性——知道所選電感在這些方面有何區(qū)別,在兩個方向上進行測試,并且如果無法確定方向,應(yīng)將可能有的安裝陷阱清楚地告知電路板生產(chǎn)部門??赡苤恍枰獙㈦姼行D(zhuǎn)180°就能改善輻射。
 
 
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