CN112910246B - 一种pcb功率环路emi抑制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PCB功率环路EMI抑制电路，包括功率变换器接地层，所述功率变换器接地层设有电源输入端和电源输出端，所述功率变换器接地层中含有串联连接在电源输入端和电源输出端之间的第一寄生阻抗和第二寄生阻抗，所述功率变换器接地层上并联连接有交叉电容器，所述交叉电容器的两端分别与所述第一寄生阻抗和第二寄生阻抗连接。本发明提供的一种PCB功率环路EMI抑制电路，通过改善电路拓扑，在输入输出节点之间增加一个交叉电容器，来降低接地层阻抗，从而降低PCB电磁辐射；同时可通过改善交叉电容器两端走线，进一步降低PCB电磁辐射；此外，还可通过改善PCB布局，来进一步降低接地层阻抗，从而降低PCB电磁辐射。

Description

一种PCB功率环路EMI抑制电路
技术领域
本发明涉及PCB功率环路的辐射电磁干扰降低技术，具体涉及一种PCB 功率环路EMI抑制电路。
背景技术
随着各种电源类产品的频率日益提高，信号完整性和电源完整性问题变得越来越严重。产品设计人员用来解决信号完整性的时间日益缩短，产品在投入市场时必须一次性运行成功，如果在产品设计周期中存在电磁辐射的干扰，所得产品可能会降低使用周期和可靠性。
PCB走线和接地层存在寄生阻抗，尽管这些阻抗没有在原理图中表示出来，但是他们对电源噪声和电磁辐射干扰的影响非常明显。
Ansys电磁场仿真可帮助用户快速、经济地设计出创新性的电子电气产品。当今世界，高性能电子产品以及先进的电气化系统随处可见，因此电磁场对电路和系统的影响不容忽视。Ansys软件能够对组件、电路和系统设计的电磁性能进行独立仿真，还可以对温度、振动和其他重要机械效应进行评估。这一独特的以电磁为中心的设计流程可帮助进一步实现高级通信系统、高速电子设备、机电设备组件和电力电子系统的首次通过的系统设计。Ansys SIwave是一个专业化的设计平台，可实现IC封装和PCB的电源完整性、信号完整性和EMI分析。
PCB近场的定义是电磁场的能量仅此在一定区域内来回周期性流动而不对外散发能量，由于单板上的辐射源都近似于环形天线，所以其能量是高压低电流以电场为主，低压大电流以磁场为主。
关于非隔离式功率转换器中的CM噪声生成机制，如果接地层是理想的并且具有领寄生和零阻抗，那么理想接地层上的压降会变味零，再次理想条件下，由输入输出电源电缆组成的天线的辐射激发将变为零，产生的辐射EMI就会降低。所以降低接地层阻抗是降低PCB电磁辐射的一种方式。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种PCB功率环路EMI 抑制电路，通过改善接地层寄生的方式，以改善辐射电磁干扰。
本发明的技术方案如下：
一种PCB功率环路EMI抑制电路，包括功率变换器接地层，所述功率变换器接地层设有电源输入端和电源输出端，所述功率变换器接地层中含有串联连接在电源输入端和电源输出端之间的第一寄生阻抗和第二寄生阻抗，所述功率变换器接地层上并联连接有交叉电容器，所述交叉电容器的两端分别与所述第一寄生阻抗和第二寄生阻抗连接。
进一步的，所述功率变换器接地层包括相互串联连接的输入电路和输出电路，所述输入电路的一端为电源输入端，用于输入电源线，所述输入电路的另一端为输入节点，所述输出电路的一端为电源输出端，用于输出电源线，所述输出电路的另一端为输出节点，所述交叉电容器并联连接在所述输入节点和输出节点之间。
进一步的，所述输入电路中设有第一去耦电容器。
进一步的，所述输出电路中设有第二去耦电容器。
进一步的，所述输入电路和输出电路之间并联连接有电感。
进一步的，所以输入节点和电感之间串联连接有开关器件。
进一步的，所述输出节点和电感之间串联连接有二级管。
进一步的，所述交叉电容器的两端并联有锡板。
进一步的，所述锡板厚1cm。
进一步的，所述功率变换器接地层布线加厚。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明通过改善电路拓扑，在输入输出节点之间增加一个交叉电容器，来降低接地层阻抗，从而降低PCB电磁辐射；
2、可通过改善交叉电容器两端走线，进一步降低PCB电磁辐射；
3、还可通过改善PCB布局，来进一步降低接地层阻抗，从而降低PCB 电磁辐射。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的电路示意图；
图2为本发明的电磁仿真结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例
请参阅图1，本实施例提供的一种PCB功率环路EMI抑制电路，包括功率变换器接地层，该功率变换器接地层包括相互串联连接的输入电路和输出电路。其中，输入电路的一端为电源输入端PInGND，用于输入电源线，输入电路的另一端为输入节点P1。输出电路的一端为电源输出端POutGND，用于输出电源线，输出电路的另一端为输出节点P3。输入电路中设有第一去耦电容器Ci，输出电路中设有第二去耦电容器CO，该去耦电容器可以提供较稳定的电源，同时也可以降低元件耦合到电源端的噪声，间接可以减少其他元件受此元件噪声的影响。输入电路和输出电路之间并联连接有电感L。输入节点P1和电感L的一端P2之间串联连接有开关器件。输出节点P3和电感L的一端P2之间串联连接有二级管。电源输入端PInGND和电感L 的另一端P4之间串联连接有第一寄生阻抗ZGND1。电源输出端POutGND和电感 L的另一端P4之间串联连接有第二寄生阻抗ZGND2。第一寄生阻抗ZGND1和第二寄生阻抗ZGND2会在接地层上引起电压降，第一去耦电容器Ci和第二去耦电容器CO的阻抗和第一寄生阻抗ZGND1和第二寄生阻抗ZGND2相比较，可以忽略不计。
采用等效替换原则，将开关器件等效为电压源VSW，二极管等效为电流源ID。则由等效替换定理可得两端两端VP3P1为：
Figure RE-GDA0003034345530000041
本实施例为降低接地层阻抗，在功率变换器接地层上并联连接有交叉电容器CCross，该交叉电容器CCross并联连接在输入节点P1和输出节点P3之间，交叉电容器CCross的两端分别通过输入节点P1和输出节点P3与第一寄生阻抗ZGND1和第二寄生阻抗ZGND2连接。
采用等效替换原则，将开关器件等效为电压源VSW，二极管等效为电流源ID。则由等效替换定理可得两端两端VP3P1为：
Figure RE-GDA0003034345530000042
由上述公式可知，由于在第一寄生阻抗ZGND1和第二寄生阻抗ZGND2的两端并联有交叉电容器CCross，P3P1两端的对地阻抗会随着交叉电容器CCross的加入而降低。
为了进一步改善交叉电容器的降噪效果，可通过改善布局以使连接交叉电容器CCross的走线寄生最小化，将交叉电容器CCross两端并联厚1cm的锡板，可以进一步降低辐射PCB电磁辐射。
此外，还可以同时将功率变换器接地层布线加厚，以降低接地层寄生阻抗、降低接地层压降。
GaN LLC整流桥EMI降低如下：
步骤1：采用80V，48A GaN器件EPC2029进行LLC整流桥设计，在Altium Designer软件中进行印刷电路板的初步布局设计，并生成.ODB++文件；
步骤2：将所得文件导入ANSYS Siwave软件中，生成3维模型，调整电容、电阻参数，并将电容的spice模型导入，以使仿真更加贴近。添加电压源端口，设置PCB近场仿真参数，调整仿真频率范围至100KHz-3MHz；
步骤3：观测并记录主电路电场辐射参数；
步骤4：在输入输出节点之间增加一个交叉电容器，重新进行PCB布局，并重复以上过程。
观测并记录主电路电场辐射参数，两次仿真结果如图2所示：电磁仿真结果(a)为添加交叉电容器后近场结果；(b)为未添加前结果。由仿真结果可知，PCB近场EMI改善效果良好，添加前电场强度最大处可达 4.311E+05V/m，添加交叉电容器后，电场强度最大处仅有9.630E+03V/m。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种PCB功率环路EMI抑制电路，包括功率变换器接地层，所述功率变换器接地层设有电源输入端和电源输出端，其特征在于：所述功率变换器接地层中含有串联连接在电源输入端和电源输出端之间的第一寄生阻抗和第二寄生阻抗，所述功率变换器接地层上并联连接有交叉电容器，所述交叉电容器的两端分别与所述第一寄生阻抗和第二寄生阻抗连接。
2.根据权利要求1所述的一种PCB功率环路EMI抑制电路，其特征在于：所述功率变换器接地层包括相互串联连接的输入电路和输出电路，所述输入电路的一端为电源输入端，用于输入电源线，所述输入电路的另一端为输入节点，所述输出电路的一端为电源输出端，用于输出电源线，所述输出电路的另一端为输出节点，所述交叉电容器并联连接在所述输入节点和输出节点之间。
3.根据权利要求2所述的一种PCB功率环路EMI抑制电路，其特征在于：所述输入电路和输出电路之间并联连接有电感。
4.根据权利要求3所述的一种PCB功率环路EMI抑制电路，其特征在于：所以输入节点和电感之间串联连接有开关器件。
5.根据权利要求3所述的一种PCB功率环路EMI抑制电路，其特征在于：所述输出节点和电感之间串联连接有二极管。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种PCB功率环路EMI抑制电路，其特征在于：所述交叉电容器的两端并联有锡板。
7.根据权利要求6所述的一种PCB功率环路EMI抑制电路，其特征在于：所述锡板厚1cm。
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