SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎?

作者:ADI應用總監Keith Szolusha, 應用工程師 Gengyao Li, 及 EMI工程師 Frank Wang


切換模式電源(SMPS)產生的EMI輻射頻譜是由許多參數組成的函數,包括熱回路大小、切換速度(迴轉率)和頻率、輸入和輸出濾波、遮罩、佈局和接地。一個潛在的輻射源是切換節點,在很多原理圖上稱為SW。SW節點銅可用於天線,發射快速高效的高功率切換事件產生的雜訊。這是大多數切換穩壓器的主要輻射源。

頂層SW節點的銅量當然應該最小化,以限制天線尺寸。透過單晶片切換穩壓器(IC內的電源開關),SW節點從IC一直到電感,並在頂層留下一個短佈線。透過使用一個控制器(切換控制器IC外部的功率開關),SW節點可以獨立於開關,遠離IC。SW節點銅在降壓和升壓開關拓撲中連接到電感的一側。由於涉及眾多性能參數,PCB的XY平面中或內層上的第1層SW節點的佈局很棘手(見圖1)。

Figure 1. SW node highlight in XY plane of Layer 1 on DC3008A LT8386 low EMI LED driver.
圖1.DC3008A LT8386低EMI LED驅動器上第1層的XY平面中突出顯示的SW節點。
Figure 2. White stripe on the Coilcraft XAL inductor marks the short coil lead because coil leads are not visible. It indicates the direction of terminals and short lead. Connect high dv/dt here for lowest EMI.
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以實現最低EMI。

電感幾何形狀

當然,當考慮電感端子時,SW節點還會垂直延伸(在Z平面中)。電感端子的垂直方向可能會增大SW節點的天線效應和輻射。此外,內部電感繞組可能不是對稱的。即使電感的對稱端子表示封裝中隱藏的是對稱結構,但元件頂部的極性指示卻有另外的說法。圖2顯示了Coilcraft XAL電感系列的內部繞組結構。扁平線繞組從元件底部開始,結束於頂部,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,側面有裸露SW節點的電感可能比具有遮罩垂直金屬的電感更差,如圖3所示。電路板設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輻射性能和佈局考慮相互結合的結果。即使採用低輻射單片IC,也必須慎重處理佈局,同時還要考慮到關鍵輻射元件的安裝。為了證明這一點,我們檢視了LT8386展示電路的主電感L1的方向對電路板的影響(見圖4)。在這種情況下,電感製造商Coilcraft規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傳導發射(CE)和輻射發射(RE)測試表示,該電感的放置方向(見圖5)會嚴重影響性能。

Figure 3. Pay attention to inductor terminal type on EMI-sensitive designs—not only to orientation.
圖3.不僅要注意方向,還應注意EMI敏感設計上的電感端子類型。
Figure 4. SW node highlighted in schematic view of DC3008A LT8386 low EMI LED driver. Place the short-side terminal at Orientation 1 and Orientation 2 to compare the complete emissions results.
圖4.DC3008A LT8386低EMI LED驅動器原理示意圖中突出顯示的SW節點。將短邊端子放在方向1和方向2,比較完整輻射結果。
Figure 5. Coilcraft XAL6060-223MEB inductor orientation emissions testing with a DC3008A LT8386 LED driver. An L1 Orientation 1 (left) with short terminal on the SW node and L1 Orientation 2 (right) with long terminal on the SW node. Emissions results are shown in Figure 6 through Figure 8.
圖5.採用DC3008A LT8386 LED驅動器的Coilcraft XAL6060-223MEB電感方向輻射測試。L1方向1(左),短端子在SW節點上;L1方向2(右),長端子在SW節點上。輻射結果如圖6至圖8所示。

圖6、圖7和圖8顯示,DC3008A的輻射性能直接受到展示電路上L1方向的影響,其他元件沒有變化。具體而言,對於方向1——即短邊端子放在SW節點上,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。

並非所有電感「生而平等」。繞組方向、端子形狀、端子連接的形狀甚至核心材料可能不同。核心材料和結構不同的磁場和電場的強度可能會引起改變電感輻射的作用。但是,本案例研究揭示了一個需要關注的方面,我們可以把它變成有利因素。

Figure 6. Radiated emissions show that the inductor orientation on DC3008A makes a significant impact on results. With the short-side terminal attached to the SW node for the smallest SW antenna (red), radiated emissions (RE) are drastically improved.
圖6.輻射發射顯示,DC3008A上的電感方向對結果有重大影響。短邊端子附著於SW節點以使SW天線最小(紅色),輻射發射(RE)得到明顯改善。
Figure 7. Current probe method conducted emissions (CE) show improvement (>3 MHz) with the short-side terminal of the inductor attached to the switch node vs. the alternative polarity.
圖7.電感的短邊端子附著於切換節點與另一種極性相比,電流探針方法傳導發射(CE)有所改善(>3 MHz)
Figure 8. Voltage method conducted emissions (CE) show improvement above 3 MHz with the short-side terminal of the inductor attached to the switch node vs. the alternative polarity.
圖8.電感的短邊端子附著於切換節點與另一種極性相比,電壓方法傳導發射(CE)有所改善(>3 MHz)

無極化指示的電感

如果電感製造商用絲網正面標記或點指出內部端子尺寸的不同,那麼很容易確定方向。如果選擇此類電感中的一種用於設計,在PCB絲網上、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。內部繞組結構可能接近對稱,或者可能存在已知的結構差異。這裡沒有任何惡意——製造商可能沒有意識到其產品中固有的這種特定安裝方向的區別。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果可重複。

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,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。其端子僅位於殼體的底部。每個元件的頂部WE徽標附近都有一個點,但產品手冊上並未將該點指定為繞組指示的起點(見圖9)。儘管最初這會引起一些混淆,但該元件具有相當對稱的內部繞組結構,兩個安裝方向的性能應當相同。因此,IC頂部的點不必在安裝絲網上指示出來。不過,如果用在EMI非常重要的電路中,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,封裝頂部上的點和產品手冊中指出了其繞組的起點(見圖10)。對於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)。

結果(見圖12)類似於Coilcraft電感。輻射結果顯示,電感的安裝方向對輻射有著明顯影響。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。

Figure 9. The WE-MAPI inductor data sheet does not indicate a start of winding dot, although there is a start of winding dot on the top marking of the component. These inductors may have no orientation-emissions effects, but one should test to be sure.
圖9.WE-MAPI電感產品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的輻射效應,但應透過測試確認。
Figure 10. The start of winding for a WE-XHMI series inductor is indicated by the top-part marking.
圖10.WE-XHMI系列電感的頂部標識指明了繞組起始點。
Figure 11. Würth 74439346150 (
圖11.採用DC3008A LT8386 LED驅動器的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節點上;L1方向2(右),長端子在SW節點上。輻射結果如圖12所示,顯示繞組起始點應連接到SW節點以獲得優質效果。

雙切換節點降壓-升壓IC(結果待續)

顯而易見,電感方向對單切換節點升壓LED驅動器中的輻射有影響。我們可以假設升壓調節器的SW節點具有相同的特徵輻射,因為電壓調節器和LED驅動電路中的功率轉換和開關元件相同。

我們還可以假設,為使電感端子的天線效應較小化,降壓調節器具有類似的SW節點設計優先順序。不過,由於降壓調節器的SW節點更靠近轉換器的輸入側,因此後續跟進工作可能有助於確定電感方向在RE和CE區域的影響是否與升壓調節器相同。

對於雙切換節點降壓-升壓轉換器,則有一點進退兩難。常用的降壓-升壓轉換器(如 LT8390 60 V同步4開關降壓-升壓控制器系列中的轉換器)具有重要的低EMI特性(如SSFM)和小型熱迴路架構。單電感設計不能清楚地揭示電感方向對輻射的影響。若將短端子放在一個SW節點上,則長端子在另一個SW節點上會產生天線的作用。在這些設計中,哪個方向最好?當所有四個開關在4開關工作區(VIN接近VOUT)中切換時,會發生什麼?

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節點的4開關降壓-升壓型控制器的EMI。留給大家思考:對於此拓撲結構,也許有兩種以上的選擇,180°分開?

Figure 12. Radiated and conducted emissions show that the assembly orientation of Würth 74439346150 high performance inductor has a significant impact on emissions results.
圖12.輻射和傳導發射顯示,Würth 74439346150高性能電感的安裝方向對輻射結果有重大影響。

結論

開關穩壓器中電感的安裝方向很重要。測量輻射時,應注意電感方向及其可重複性——知道所選電感在這些方面有何區別,在兩個方向上進行測試,並且如果無法確定方向,應將可能有的安裝陷阱清楚地告知電路板生產部門。可能只需要將電感旋轉180°就能改善輻射。