一直以来,工程师朋友们对DCDC电源的电感底部是否应该铺铜持有不同意见。 一种观点认为,在电感下方铺铜是不利于电路设计。在电感下方铺铜在地平面产生涡流,涡流效应会影响功率电感的感量,涡流也会增加系统损耗,同时地平面的噪音会影响其他高速信号; 另一种观点认为,在电感下方铺铜是利于电路设计。现在都采用的是屏蔽电感,溢出的磁力线很少。对电感的感量影响有限。完整地平面铺铜有利于EMI设计,还能够有利于散热。 一正一反都是的观点孰对孰错,且看下文分析: 现在小功率电源产品中,应用的都是这种一体成型的电感,气隙很小,防止电感饱和,因此这种电感基本没有磁力线溢出,漏磁很小。 尽管屏蔽电感漏磁很小,但是不是绝对。只要有磁力线通过导体-电感下方铺铜-GND,那么电感产生的交流磁场就会在铺铜上产生感应电流(涡流)。楞次定律告诉我们:感应电流又会产生感应磁场磁场,感应电流产生的磁场方向又总是起到消弱原磁场的作用, 铺铜的铜皮没有屏蔽电感漏磁产生的磁力线的能力,严格意义上的磁力线屏蔽只有专用的屏蔽磁材可以做到。只是因为铺铜的铜皮感应出了涡流,产生了一点反向磁力线,所以抵了一部分由于铺铜而产生涡流的过程。我们可以发现,涡流的产生有好处也有坏处: 好处: 对于电感产生的漏磁(也是涡流产生的源头),涡流产生的感应磁场可以抵消,有较好的EMI效果: 坏处:涡流产生的磁场,会抵消电感产生的磁场。那么或多或少就会对电感的感量有一定影响。而对于固定输入输出的Buck电源,电感的感量是决定纹波的主要因素,所以会造成输出电压的纹波变化。 如果在产品设计中,有其他方法改善电压纹波,那么在电感下方铺铜是有好处的,毕竟电感漏磁是不可避免的,铺铜后,通过涡流效应是是可以改善EMI效果的。但在EMI改善中,对于传导-CE和辐射-RE的效果是不一样的。比如下方四个layout设计:电路板是四层板设计,TB6是top层和中间层都在电感下方铺铜。TB8是top层电感下方不铺铜,中间层在电感下方铺铜。TB9是top层在电感下方铺铜。中间层不在电感下方铺铜。TB10是top层和中间层都不在电感下方铺铜。 随后进行CE测试,发现在电感完全铺铜对CE测试是有帮助的,铺铜后产生的涡流效应是可以改善电感漏磁带来的传导超标的弊端。 随后观察RE测试的结果,RE测试的结果和CE的结果是相反的,在电感下方铺铜,对RE带来了负面影响,反而有更多的磁场能量辐射出去。 要理解电感铺铜对RE带来的弊端,就需要从原理上理解:电感下方铺铜后,也会增加和电感并联的寄生电容Cpcb。由于SW节点是开关频率的节点,其基频和倍频是EMI干扰的主要来源,现在增加了寄生电容,那么开关频率的干扰电流就更容易传导到Vout节点,然后通过线束对外辐射出去,就会产生更多的高频辐射。 因此,电感下方铺铜产生的涡流是可以抵消电感漏磁产生的磁场,对低频CE是有帮助的。但是铺铜后会增加寄生电容,增加了高频电流的流处通路,辐射增强对高频RE产生弊端。铺铜本身不会增加高频辐射能量的增加。只要设计的时候,增加铺铜的同时,减少铺铜寄生电容的容值:比如挖掉表层的GND,.内层保留,可以降低SW 部分的寄生电容引入的Q值下降。就可以将铺铜给高频RE带来的弊端降低到最小。综上分析,电感下方铺铜还是对EMI是有帮助的。 当然,只要电感做的好,没有任何磁力线漏磁的产生,以上所有的分析都不适用,毕竟没有涡流产生,没有漏磁能量,EMI性能肯定是优秀的。对于同一种相同类型,相同内部结构的电感,电感的尺寸和对外辐射的能量成正比。电感的尺寸越大,电感的EMI性能越差。所以对于Buck电路设计中,10W功率输出和30W功率输出,其他基本参数不变,就需要改变电感的饱和电流值,那么30W的电路设计中就需要选择更大尺寸的电感,其EMI测试数据会变得更差,有时候就会觉得,原理图和layout设计一模一样,就是换了一个电感。而且都是屏蔽电感,为什么增大了输出功率,EMI测试就不过的。实际就是因为换了一个关键器件-电感,所以才让EMI结果偏差。所以EMI需要多测试,不能仅仅是原理上理解,要不然修改了器件,到最后产品定性的时候再去测试,就没有时间修改设计了!
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