電源PCB設計與EMC的電路布局要點（EMC機理分析）

第第頁電源PCB設計與EMC的電路布局要點（EMC機理分析）【前言】說起（開關(guān)電源）的難點問題，（PCB）布板問題不算很大難點，但若是要布出一個精良PCB板一定是開關(guān)電源的難點之一（（PCB設計）不好，可能會導致無論怎么調(diào)試參數(shù)都調(diào)試布出來的情況，這么說并非危言聳聽）原因是PCB布板時考慮的因素還是很多的，如：（電氣）性能，工藝路線，安規(guī)要求，（EMC）影響等等；考慮的因素之中電氣是最基本的，但是EMC又是最難摸透的，很多項目的進展瓶頸就在于EMC問題；下面從二十二個方向給大家分享下PCB布板與EMC。

1、熟透電路方可從容進行PCB設計之EMI電路

上面的電路對EMC的影響可想而知，輸入端的（濾波器）都在這里；防雷擊的壓敏；防止沖擊（電流）的（電阻）R102（配合繼電器減小損耗）；關(guān)鍵的差模X（電容）以及和電感配合濾波的Y電容；還有對安規(guī)布板影響的（保險絲）；這里的每一個器件都至關(guān)重要，要細細品味每一個器件的功能與作用。設計電路時就要考慮的EMC嚴酷等級從容設計，比如設置幾級濾波，Y電容數(shù)量的個數(shù)以及位置。壓敏大小數(shù)量選擇，都與我們對EMC的需求密切相關(guān)，歡迎大家一起討論看似簡單其實每個（元器件）蘊含深刻道理的EMI電路。

2、電路與EMC：（最熟悉的反激主拓撲，看看電路中哪些關(guān)鍵地方蘊含了EMC的機理）

上圖的電路中打圈幾部分：對EMC影響非常重要（注意綠色部分不是的），比如輻射大家都知道電磁場輻射是空間的，但基本的原理是磁通量的變化，磁通量涉及到磁場有效截面積，也就是電路中對應的環(huán)路。電流可以產(chǎn)生磁場，產(chǎn)生的是穩(wěn)定的磁場，不能向電場轉(zhuǎn)化；但變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場是可以產(chǎn)生電場（其實這就是有名的麥克斯韋方程我用通俗語言來說），變化的電場同理可產(chǎn)生磁場。所以一定要關(guān)注那些有開關(guān)狀態(tài)的地方，那就是EMC源頭之一，這里就是EMC源頭之一（這里說之一當然后續(xù)還會講到其它方面）；比如電路中虛線環(huán)路，是開關(guān)管開通和關(guān)斷的環(huán)路，不僅設計電路時開關(guān)速度可以調(diào)節(jié)對EMC影響，布板走線環(huán)路面積也有著重要的影響！另二個環(huán)路是吸收環(huán)路和整流環(huán)路，先提前了解下，后面再講！

3、PCB設計與EMC的關(guān)聯(lián)

PCB環(huán)路對EMC的影響非常重要，比如反激主功率環(huán)路，如果太大的話輻射會很差。

濾波器走線效果，濾波器是用來濾掉干擾的，但若是PCB走線不好的話，濾波器就可能失去應該有的效果。

結(jié)構(gòu)部分，散熱器設計接地不好會影響，屏蔽版的接地等；

敏感部分與干擾源頭過近，比如EMI電路與開關(guān)管很近，必然會導致EMC很差，需要有清晰的隔離區(qū)域。

RC吸收回路的走線。

Y電容接地與走線，還有Y電容的位置也很關(guān)鍵等等！

先想到這說這些，后續(xù)會具體討論，先起個引子。

下面舉一個小例子：

如上圖中虛線框，X電容引腳走線做了內(nèi)縮的處理，大家可以學習下，如何讓電容引腳走線外掛（采用擠電流走線）。這樣X電容的濾波效果才能夠達到最佳狀態(tài)。

4、PCB設計之準備事項：（準備充分了，方可設計步步穩(wěn)健，避免設計推翻重來）

大致有以下的一些方面，都是自己設計過程會去考慮，所有的內(nèi)容跟別的（教程）無關(guān)，都是只是自己的經(jīng)驗總結(jié)。

外觀結(jié)構(gòu)尺寸，包括定位孔，風道流向，輸入輸出插座，需要與客戶系統(tǒng)匹配，還需要與客戶溝通裝配上的問題，限高等等。

安規(guī)（認證），（產(chǎn)品）做哪種認證，哪些地方做到基本絕緣爬電距離要留夠，哪些地方做到加強絕緣留夠距離或開槽。

封裝設計：有沒有特殊期間，如定制件封裝準備。

工藝路線選定：單面板雙面板選擇，或是多層板，根據(jù)原理圖及板子尺寸，成本等綜合評估。

客戶的其他特殊要求。

結(jié)構(gòu)工藝相對會更靈活，安規(guī)還是比較固定的部分，做什么認證，過什么安規(guī)標準，當然也有一些安規(guī)是很多標準中通用的，但也有一些特殊產(chǎn)品比如醫(yī)療會比較嚴苛。

為了新入門（工程師）朋友們不至于眼花繚亂；

接下來列出些普遍產(chǎn)品通用的，下面是對于IEC60065總結(jié)出來的具體布板要求，針對安規(guī)需要牢記，碰到具體產(chǎn)品要會針對性處理：

輸入保險絲焊盤制件的距離安規(guī)要求大于3.0MM，實際布板按照3.5MM（簡單說保險絲前按照3.5MM爬電距離，之后按照3.0MM爬電距離）

（整流橋）前后安規(guī)要求2.0MM，布板按照2.5MM。

整流后安規(guī)一般不做要求，但是高低壓間根據(jù)實際電壓大小留距離，習慣400V（高壓）留2.0MM以上。

初次級間安規(guī)要求6.4MM（電氣間隙），爬電距離按照7.6MM為最佳。（注意這個跟實際輸入電壓相關(guān)，需要查表具體計算，提供數(shù)據(jù)僅供參考，以實際場合為準）

初次級用冷地，熱地標識清晰；L，N標識，輸入（AC）INPUT標識，保險絲警告標識等等都需要清晰標出；

再次重申實際安規(guī)距離跟實際輸入電壓相關(guān)以及工作環(huán)境有關(guān)，需要查表具體計算，提供數(shù)據(jù)僅供參考，以實際場合為準。

5、PCB設計之安規(guī)考慮因素

明白自己產(chǎn)品做什么認證，屬于什么產(chǎn)品種類，比如醫(yī)療，（通信），電力，TV等各不相同，但也有很多相通的地方。

安規(guī)中與PCB布板緊密的地方，了解絕緣的特點，哪些地方是基本絕緣，哪些地方是加強絕緣，不同標準絕緣距離是不一樣的。最好是會查標準，并且會計算電氣距離，爬電距離。

產(chǎn)品的安規(guī)器件重點注意，比如變壓器磁性與原副邊關(guān)系；

散熱器與周邊距離問題，散熱器接的地不一樣絕緣情況也不一樣，接大地還是冷地，熱地絕緣也不一樣。

保險的距離特別注意，要求最嚴格地方。保險絲前后距離不一致。

Y電容與漏電流，接觸電流關(guān)系。

等等，后續(xù)會詳細說明距離該怎么留，如何做好安規(guī)要求。

6、PCB設計之（電源）布局

首先衡量PCB尺寸與器件數(shù)量，做到疏密有致，要不然一塊密，一塊稀疏很難看。

將電路模塊化，以核心器件為中心，關(guān)鍵器件優(yōu)先放的原則一次放置器件。

器件呈垂直或水平放置，一是美觀，二是方便插件作業(yè)，特殊情況可以考慮傾斜。

布局時需要考慮到走線，擺放到最合理位置方便后續(xù)走線。

布局時盡可能減小環(huán)路面積，四大環(huán)路后面會詳解到。

做到上述幾點，當然要靈活運用，比較合理的布局很快就會誕生。

下面是我畫的第一塊處女PCB板，好多年前的事情，當時非常的艱苦完成的，中間可能有小問題，不過大體布局還是值得學習的：

此圖功率密度還是比較高，其中LLC的控制部分，輔助源部分以及BUCK電路驅(qū)動（大功率多路輸出）部分在小板上，就沒拿出來，看看主功率方面的布局特點吧：

輸入輸出（端子）是固定死的，不能動，板子是長方形的，主功率流向如何去選擇？這里采用由下至上，由左及右的方式來布局，散熱是依靠外殼。

EMI電路還是清晰的流向，這點很重要，要不混亂了不美觀也對EMC不好。

大電容的位置盡量考慮到了（PFC）環(huán)路以及LLC主功率環(huán)路；

副邊的電流比較大，為了走電流，以及整流管散熱，采用了這樣的布局，整流管在上，BUCK電路MOS管在下，散熱分散效果好；大功率的頂層一般走負，底層走正。

每個板子有自己的特點，當然也有自己的難處，如何合理解決是關(guān)鍵，大家從中能理解布局合理選取的含義嗎？

7、PCB實例賞析

可以根據(jù)之前談論的PCB布局要點，檢視此板，是否做的很到位，我認為是做到比較好的地方了，當然瑕疵總會有，也可以提出來，單面板如此緊湊能做到這樣已實屬不易了，可以借此板學習討論！后面還會針對此板講解學習，大家先欣賞下。

8、PCB設計之四大環(huán)路認識：（PCB布局的基本要求就是四大環(huán)路面積?。?/p>

補充一下，吸收環(huán)路（RCD吸收以及MOS管的RC吸收，整流管的RC吸收）也很重要，也是產(chǎn)生高頻輻射的環(huán)路，對上圖有任何疑問，都歡迎討論，不怕任何質(zhì)疑，只要是針對問題的質(zhì)疑，一起討論學習才能更大的進步！

9、PCB設計之熱點（浮動電位點）及地線：

注意事項：

針對熱點，一定要特別注意（高頻開關(guān)點），是高頻輻射點，布局走線對EMC影響很大。

熱點構(gòu)成的環(huán)路小，走線短，并且走線不是越粗越好，而是夠走電流夠用就好。

地線要單點接地。主功率地和（信號）地分開，采樣地單獨走。

散熱器的地需要接主功率地。

10、EMC整改心得體會

均為個人理解，或許與傳統(tǒng)（資料）教材有差異，請自己斟酌，反正我覺得很多通用的教材結(jié)果沒我自己總結(jié)的使用，自夸了。想說的很多，可能有些亂，都是實踐出來的！

一.EMC產(chǎn)生以及測試時測得的結(jié)果如何去理解：簡單來說就是如何對癥下藥，很多情況拿到第一輪測試結(jié)果，怎么將結(jié)果和電源去對照分析；主題思路如下：

1.針對傳導，測試范圍標準15K-30M，常見的EN55022是150K起。傳導的源頭是怎么產(chǎn)生的呢？針對低頻，主要是開關(guān)頻率以及其倍頻（后續(xù)有圖解），這種從源頭是無法解決的，開關(guān)頻率是無法消除的，當然你可以改變開關(guān)頻率，那也只是將測試結(jié)果移動了，并沒有真正意義上消除。只能通過濾波器來解決，一般來說對于低頻采用R10K這種高磁通材質(zhì)有很好的效果，磁環(huán)大小跟你功率有關(guān)系，一般達到10MH感量，甚至更大到20MH，配合Y電容一般能很好解決，低頻不是難點；真正的難點是高頻，個人認為，高頻的起因就復雜多了，有開關(guān)導致，有變壓器可能，也有電感的可能，也就就是一切存在開關(guān)狀態(tài)的地方都可能存在（怎么判斷具體位置，后續(xù)講解），這里需要一番摸索；找到源頭未必源頭能解決，可能有改善，還是要配合濾波器。針對高頻，采用低磁通材質(zhì)，如鎳鋅環(huán)，感量一般都是UH級別的，配合合適Y電容（比較復雜的電源，建議布板時多留幾個Y電容位置，方便整改）；

2.一些配合手段，很多教材都提到增大X電容判斷差模還是共模，有一定意義可能現(xiàn)實幫助不大，設計時一般我們X電容都會放到合適的值。并且增大X電容就能解決差模問題，也是瞎扯，所以很多教材都是提供一定意義指導，個人覺得沒什么用。我覺得比較好的手段有幾個：1.對照接地和不接地總結(jié)差異，不接地可能更差，原因是系統(tǒng)構(gòu)造的傳導途徑少了；也可能有改善，說明是通過地回路傳導到（端口）。具體解決措施，針對電路接地的點Y電容進行調(diào)節(jié)以及加磁珠。2.在輸入端口套磁環(huán)，若套低U環(huán)有改善，調(diào)節(jié)第一級濾波電感。3復雜的系統(tǒng)注意EMI電路的屏蔽措施。若措施都沒什么效果，反省PCB設計，這方面在PCB設計中會講到。

3.針對輻射：必須找出源頭去解決，觀測第一次測試結(jié)果，若是30M附近超出，跟接地相關(guān)，系統(tǒng)上找接地，并且要判斷測試時是否接地良好，有時候輸入線都有影響。2.40M-100M以內(nèi)，一般是MOS管開通關(guān)斷引起，有時現(xiàn)場不好直接判斷是開通還是關(guān)斷，可針對性整改觀測結(jié)果去驗證（當然這都得花錢，后續(xù)會講解如何用（示波器）去判斷，這可是密招）。3.100M以上多為（二極管）引起，整改二極管吸收電容，大功率的有的可能是同步整流，更改MOS管吸收環(huán)路，記住有時候調(diào)整C時還得配合R整改。

要說的太多，后續(xù)針對具體實例去補充吧，先手打這么多，反正我打的夠辛苦，能引起共鳴很難，畢竟每個人的整改經(jīng)歷差很多，就當給（新人）朋友一些啟示吧，后續(xù)會舉例說明！

11、布板走線之濾波電容走線

濾波電容的走線對濾波效果有至關(guān)重要的作用，走的不好，可能失去其應有的濾波效果。

圖一是副邊整流濾波走法，使二個電容效果分攤，避免第二個電容在整流回路中失效。

圖二：為輸出濾波電容走線，一定不要外掛（也就是被旁路掉），走的不好輸出紋波很差。

12、LLC電路的布板與EMC

LLC電路大家最熟悉不過了，虛線圓圈是（驅(qū)動電路），在（電路設計）時緊靠MOS管放置，也就是說（IC）提供的驅(qū)動只需要引二根線拉到驅(qū)動電路，驅(qū)動電路離MOS管近，避免被干擾（同時走線時也要注意驅(qū)動干擾到敏感信號，既是敏感信號也是干擾源）；一旦驅(qū)動被干擾電源可想而知。

同理（同步整流）的MOS管驅(qū)動也要離同步整流管近，設計原理圖時像此圖這樣放就能很好理解，假如你將這電路給PCB工程師布板，他就很直觀如何布局走線，你若是畫得很亂，很多PCB工程師對電路理解得不透徹可能就容易布錯板。

另外：原邊有一個重要的環(huán)路，PFC電容與MOS管以及變壓器，諧振電感，諧振電容構(gòu)成的環(huán)路面積小；

副邊整流濾波環(huán)路同樣重要，電容的走線之前講過，也很重要；

走線時注意高低壓的距離，有些地方電壓是浮動的，必須當作高壓來對待，比如上管驅(qū)動以及對應的參考電壓。

至于EMC方面LLC的開通是軟開關(guān)，開通對EMC幾乎沒有影響，重點關(guān)注是關(guān)斷速度的快慢對EMC影響；還有MOS管結(jié)電容并的電容對EMC影響很大，選擇電容不合適，或是不加（MOS管自身也有結(jié)電容）對EMC都可能有影響，這是重點注意的地方；此圖沒有Y電容，在MOS管正或者負放置Y電容也能很好濾去開關(guān)干擾；

對此電路有什么疑問的，可以提出來討論，在討論中彼此成長！

13、電路設計與布板之PFC

上圖是典型的BOOSTPFC電路：

左邊綠色方框部分是驅(qū)動電路，和之前LLC拓撲驅(qū)動一樣，離MOS就近放置，原理圖上就體現(xiàn)出來。

右邊綠色虛線方框部分，是MOS管關(guān)斷尖峰吸收電路，一樣與MOS管構(gòu)成環(huán)路要最?。?/p>

另外二大重要環(huán)路，一是MOS管開通環(huán)路（虛線紅色圖），另一個是MOS管關(guān)斷環(huán)路（實線紅色圖）；環(huán)路面積盡可能小；

14、磁環(huán)在EMC中妙用

有的產(chǎn)品EMC很難在源頭上去處理的，可以采用磁環(huán)濾波，當然我這里說的磁環(huán)有二個層面的意思，一方面是輸入輸出端的濾波電感，采用不同材質(zhì)磁環(huán)，不同匝數(shù)會有對應的效果，還有一方面意思是直接在輸入輸出線上套磁環(huán)，有時能起到妙用，但不是在所有場合都能用，起碼還是能作為判斷依據(jù)；

上圖藍色和黑色線是輸出正負端，上面套了個磁環(huán)，解決了輸出整流管引起的高頻端超出；有些時候端口的干擾在PCB板上加濾波器未必有效果，在輸出線上放磁環(huán)就有想不到的效果。

15、PCB走線之關(guān)鍵信號

注意：

CS信號（采樣信號）：從采樣電阻R25，R26拉出，注意IC的地線以采樣電阻為基準，采樣電阻的正負差分走線拉到ICCS腳以及IC的GND腳。

驅(qū)動信號從驅(qū)動電路拉到IC驅(qū)動引腳，注意不要干擾到CS腳；如圖走線三根線并排走，并且將地線走在驅(qū)動線和CS線中間起到一定屏蔽作用；

雙面板最好將IC一層鋪地屏蔽，鋪地的（網(wǎng)絡）一定要從ICGND引出，非關(guān)鍵信號GND可直接打過孔，關(guān)鍵信號地需要單點接地，直接接IC；

FB反饋網(wǎng)絡信號注意查分走線并且單點接IC；

RCD吸收網(wǎng)絡不要放在主回路；

VCC的整流濾波地需要接主功率地，二級濾波可接IC地；

Y電容走線單獨接，不可與主功率混淆，避免干擾。

16、主功率及控制部分地接線示意圖

可能很多人看到此圖，云里霧里的，大致介紹下：

PFC的驅(qū)動和IC共地接PFC管，更具體點是接采樣電阻的地；

（DC）-DC部分的驅(qū)動地和控制地接DC開關(guān)管部分的采樣地；

輔助源部分控制地接輔助源MOS管采樣地，MOS管地再接主功率地；

各自IC的（供電）地通過輔助源EC濾波接IC地，注意RC濾波靠近IC。

總結(jié)：注意好各自的單點接地，地線不亂，是走線最重要的地方之一?。?！

17、電磁場屏蔽機理分析

圖一：磁場屏蔽原理

如圖對照：輸入和輸出的電場干擾可以通過電容傳輸（耦合），若增加屏蔽板，則增加了C4的大小，并且C1也會減小，對電場干擾起到衰減的目的；

圖二：磁場屏蔽原理

如圖：磁場屏蔽的特點和磁場不一樣，需要外殼屏蔽，電場只需要平面屏蔽板，故散熱器屏蔽帶來的是電場屏蔽，有的采用外殼封閉式電源則起到了一定磁場屏蔽；

磁場屏蔽原理，磁場通過屏蔽罩會改變磁路，導致磁力線向周圍擴散，中間磁場干擾達到屏蔽目的；

18、開關(guān)器件與EMC

對器件的認識對EMC也有著重要的意義，比如MOS管，主開關(guān)MOS是很重要的EMC源頭之一，還有整流管的開通以及關(guān)斷也會產(chǎn)生高頻輻射（原理是電流產(chǎn)生磁場，變化的電流產(chǎn)生電場）；當然這里主要是介紹（半導體）開關(guān)器件，其他的電感變壓器就不做說明了；

開關(guān)器件哪些參數(shù)對EMC有重要影響，我們常說快管，慢管是以什么作為參照的呢？我們都知道快管開通損耗小，為了做高效率都喜歡用，但是為了EMC順利通過，不得不舍棄效率，降低開關(guān)速度來減弱開關(guān)輻射；

對于MOS管，開通速度是由驅(qū)動電阻與輸入結(jié)電容決定的；關(guān)斷速度是由輸出結(jié)電容與管子內(nèi)阻決定；

參照以上兩圖，是不同型號的MOS管，對比下輸入結(jié)電容和輸出結(jié)電容，2400PF與800PF;780PF與2200PF；一看就知道第一個規(guī)格是快管，第二個是慢管，這時候決定開關(guān)速度還要與驅(qū)動電阻匹配；常規(guī)情況驅(qū)動電阻在10R-150R比較多，選取驅(qū)動電阻與結(jié)電容有關(guān)，針對快板驅(qū)動電阻可適當增大，慢管驅(qū)動電阻可適當減小；

對于二極管，有（肖特基）二極管，快回復二極管，普通二極管，還有一種用的比較少的SIC二極管，開關(guān)速度SIC二極管幾乎為零，等于是沒有反向恢復，開關(guān)輻射最小，并且損耗也最小，唯一的缺點就是價格昂貴，故很少用；其次就是肖特基二極管，正向壓降低，反向恢復時間短，依次是快回復和普通二極管；需要在損耗和EMC之間折中；一般可采取改吸收以及套磁珠等措施整改EMC；

19、EMC之濾波器

濾波器的架構(gòu)選擇對濾波器的影響很重要，在不同場合，濾波器是根據(jù)阻抗匹配來達到濾波效果，大家可根據(jù)此圖的原則參考選取如何濾波；比如最常用的輸出整流橋后采用π型濾波以及輸出端采用LC濾波器；

濾波器的材質(zhì)對設計濾波電感也是至關(guān)重要，采用不同初始磁導率的材質(zhì)會在不同頻率段起作用，選錯材質(zhì)就完全失去應有的效果；

20、EMC之反激高頻等效模型分析

先從最簡單的模型理解EMC：