选择合适的DCDC 转换器封装和PCB布局设增强汽车 EMI 性能

1.前言

众所周知，印刷电路板 (PCB) 布局对于帮助减少来自 DC/DC 降压或升压转换器的电磁干扰 (EMI) 至关重要。这对于需要超低 EMI 的汽车应用至关重要，例如汽车网关模块和雷达传感器系统。

图 1 的原理图说明了同步降压转换器电路的两个关键环路。最小化布局中的功率环路面积至关重要，因为它与寄生电感和相关的 H 场传播成比例。

图 1：简化的同步降压转换器原理图，其中包含针对 EMI 确定的关键环路和迹线

同样重要的是图 1 中所示的启动电容器回路。一个可选的串联启动电阻器，指定为 R BOOT，控制高端 MOSFET 的开启速度。启动电阻会减慢栅极驱动电流曲线，从而降低 MOSFET 导通期间的 SW 电压和电流压摆率。另一种选择是从 SW 到 GND 的 RC 缓冲器。当然，缓冲器和栅极电阻会增加功耗，导致 EMI 和效率之间的权衡。鉴于效率和热性能也很重要，因此需要其他技术来减轻 EMI。

2.DC/DC 转换器封装和引脚设计

图 2 提供了60V同步降压转换器的原理图，其引脚排列和封装均针对在车身电子和ADAS 等高性能汽车应用中运行时的 EMI 性能进行了优化。Ť他示意亮点高电流迹线（VIN，PGND，SW连接），对噪声敏感的网（FB）和高的dv / dt电路节点（SW，BOOT）。

图 2：具有 EMI 优化封装和引脚排列的 DC/DC 转换器。包括一个两级 EMI 输入滤波器

（1）引脚排列

图 2 中的转换器IC的优点是 VIN 和 PGND 引脚排列对称且平衡。它使用两个并联的输入回路，从而有效地减少了一半的寄生回路电感。这些环路在图 3 所示的 PCB 布局图中标记为 IN1 和 IN2。 两个具有 0402 或 0603 外壳尺寸的电容器，指定为 C IN1和 C IN3, 尽可能靠近 IC 放置，以配置最小输入环路区域。循环电流产生相反的磁矩，导致 H 场抵消，从而降低有效电感。为了进一步降低寄生电感，PCB 层 2 上 IN1 和 IN2 环路下方的返回电流的连续接地层（紧邻顶层电源电路下方）支持场自抵消效应。

图 3：仅在 PCB 顶层布线的功率级布局

输出电流环路也通过使用两个陶瓷输出电容 C O1和 C O2进行了类似的优化，电感的每一侧各一个。来自输出的两条平行接地返回路径将返回电流一分为二，有助于减轻输出噪声和接地反弹效应。

SW 引脚位于 IC 的中心，因此辐射电场被 IC 两侧相邻的 VIN 和 PGND 引脚屏蔽。GND 平面铜屏蔽将 IC 的 SW 引脚连接到电感器端子的多边形浇注。单层 SW 和 BOOT 布局意味着具有高dv/dt 的过孔不会出现在 PCB 的底部。这避免了在 EMI 测试期间电场耦合到参考接地平面。

（2）封装

与优化的引脚排列相结合，DC/DC 转换器 IC 封装设计是寻求改善 EMI 特征的关键属性。例如，TI 的HotRodÔ封装技术使用引线框架倒装芯片 (FCOL) 技术，该技术消除了功率器件引线键合，否则可能会导致更高的封装寄生电感。将 IC 倒置，并将IC 上的铜柱直接焊接到引线框架上。由于每个引脚都直接连接到引线框架，因此这种构造方法可实现小型解决方案尺寸和薄型。从 EMI 的角度来看，与传统引线键合封装相比，HotRod 封装降低了封装寄生电感，从而大大降低了开关转换期间的噪声和振铃。

图 4：引线键合 QFN (a) 和 HotRod FCOL (b) 封装结构比较

图 5 显示了图 3 中电路在 150kHz 至 108MHz 范围内测得的传导发射。即使没有 CM 扼流圈、缓冲器或金属外壳屏蔽，结果也符合EN550255类汽车要求。

图 5：符合 EN 550525 第 5 类限制的传导发射结果：150kHz 至 30MHz – 包括 LW、MW、SW 和 CB 频段 (a)；30MHz 至 108MHz – 包括 VHF、TV 和 FM 频段 (b)

3.结论

新一代电源转换器在先进封装和引脚设计方面表现出显着提高的性能。转换器封装类型是减轻 EMI 的重要选择标准，特别是因为它可以实现更低的寄生电感，从而最大限度地减少 SW 电压振铃。此外，精心设计的引脚分配可通过优化的输入电容器布局实现更好的 PCB 布局。最终，所需的 EMI 滤波器具有更小的占地面积和更低的总成本——这是汽车 ADAS 和车身应用的关键属性。