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2021-04-20
张艳
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设计一个移动电源的一个关键设计挑战是通过EMI测试。电子工程师经常担心EMI测试失败。若电路EMI测试多次失败，这将是一场噩梦。您将不得不夜以继日地在EMI实验室工作来解决问题，避免产品推出延迟。对于诸如移动电源的消费类产品，设计周期短，而EMI认证限制又严格，因此您想添加足够的EMI滤波器顺利通过EMI测试，但您又不想增加空间，也不想在电路方面增加过多成本。这似乎很难兼顾两者。
TI design低辐射EMI升压转换器参考设计（PMP9778）提供了这样一个解决方案。它可以支持2.7 - 4.4V输入电压、5V / 3A、9V / 2A和12V / 1.5A的输出功率，且只适合移动电源应用程序。通过布置和布局的优化，此TI设计能获得的裕量比在EN55022和CISPR22 B级辐射测试中高出6分贝。让我们来看看设计过程。
确定关键电流通路
EMI从电流变化（di / dt）循环的高瞬时速率开始。因此，我们应在设计之初就区分高di / dt关键路径。为了实现这些目标，了解开关电源中的电流传导路径和信号流是重要的。
图1所示为升压转换器的拓扑结构和临界电流路径。当S2闭合，S1打开时，交流电流流经蓝色环路。当S1闭合，S2打开时，交流电流流经绿色环路。因此，电流流经输入电容器Cin，且电感器L是一个连续电流，而电流流经S2、S1，且输出电容器Cout是脉动电流（红色环路）。因此，我们定义红色环路为临界电流路径。此路径具有最高的EMI能量。我们在布置期间，应尽量减少由它包围的区域。
图1. 升压转换器的临界电流路径
最小化高di / dt路径的环路面积
图2所示为TPS61088的引脚配置。图3所示为TPS61088临界电流路径的布局示例。NC引脚表示设备内部没有连接。因此，他们可连接到PGND。从电气角度讲，将两个NC引脚连接到PGND接地平面有利于散热，并能降低返回路径的阻抗。从EMI角度讲，将两个NC引脚连接到PGND接地平面使得TPS61088的VOUT和PGND平面更接近彼此。这使得输出电容的布置变得更容易。从图3可以看出，将一个0603 1-UF（或0402 1-UF）高频陶瓷电容COUT_HF尽可能靠近VOUT引脚可导致高di / dt环路的面积最小。
图2. TPS61088引脚配置
图3. TPS61088关键路径布局示例
来自距接地平面10米距离的高di /di回路的最大电场强度可通过下面的公式计算：
图4所示为使用和不使用COUT_HF的辐射EMI结果。在相同的测试条件下，辐射EMI通过COUT_HF改善了4dBuV/m。
图4. 带/不带COUT_HF的辐射EMI结果
将一个接地平面置于关键路径下
高跟踪电感导致辐射EMI差。因为磁场强度与电感成正比。将固定接地平面置于临界跟踪的下一层上可以解决此问题。
表1给出了不同PCB板上的给定跟踪电感。我们可以看到，对于信号层和接地平面之间0.4 mm绝缘厚度的四层PCB来讲，其跟踪电感比1.2毫米厚的2层PCB的跟踪电感小得多。因此将距离最短的固定接地平面置于关键路径是降低EMI的最有效的途径之一。
表1. 跟踪电感（走线长度=5cm）
图5所示为2层PCB和4层PCB的辐射EMI结果。根据相同的布局和相同的试验条件，辐射EMI通过4层PCB可改善10dBuV /m。
图5. 一个2层PCB和一个4层PCB的辐射EMI结果
添加RC缓冲器
若辐射水平仍超过要求水平且布局不能再提高，则在TPS61088 SW引脚添加一个RC缓冲器和电源接地有助于降低辐射EMI水平。RC缓冲器应放在尽可能接近开关节点和电源接地（图6）的位置。它可以有效地抑制SW电压环，这意味着在振铃频率条件下，辐射EMI得以改善。
图6. RC缓冲器的布置
通过上述简单而有效的优化方式，良好的EMI性能在移动电源设计中成为可能。除了移动电源应用，此TI design还适合蓝牙音箱\便携式POS终端和电子烟应用及其它应用。
来源：
(mbbeetchina)
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