DC/DC低EMI设计中，电感下方要铺铜吗？

摘要：每个开关电源都是一个宽带噪声源。因此，将汽车电路板网络中的DC/DC 变换器集成到汽车控制单元中，同时仍然满足汽车原始设备制造商（OEM）的 EMC 要求，是一项很艰巨的任务。通常，来自 DC/DC 变换器和其他高速电路的噪声会通过所连接的电缆辐射，这些电缆

每个开关电源都是一个宽带噪声源。因此，将汽车电路板网络中的DC/DC 变换器集成到汽车控制单元中，同时仍然满足汽车原始设备制造商（OEM）的 EMC 要求，是一项很艰巨的任务。

通常，来自 DC/DC 变换器和其他高速电路的噪声会通过所连接的电缆辐射，这些电缆为噪声提供了有效的天线路径。为了阻断这种潜在的辐射路径，需要在每个电缆连接点都设置滤波器电路。但是，只有当噪声源的 H场或 E 场没有耦合到滤波器组件或电缆中时，滤波才会有效。

在近场环境中，场强的下降与距离平方的倒数 (1/d2) 成正比。因此，噪声源、滤波器组件和连接器之间需要保持一定的最小距离。

但实际上，PCB 尺寸和电缆连接器的位置通常取决于机械空间的大小。而且，在 PCB 的某些区域，元件的最大高度可能非常有限，或者也有可能无法进行双面组装。这些硬件条件的限制要求设计人员在决定元件位置和 PCB 布局时要非常谨慎，尤其是在汽车制造等高度监管的行业中。
布局规划

为避免DC/DC 变换器的电场和磁场被直接耦合到连接器和电缆中，电路必须尽可能远离 PCB 连接点。

噪声源应尽量远离连接器和电缆

只有距离或额外的屏蔽才能将 EMC 滤波器、连接器和电缆的场强降低到必要的水平，而屏蔽可以代替距离。

IN区域和 PGND 区域（如上图中的红色部分），它们通过通孔连接到内层。在IN路径上，通孔之后必须连接电感元件（例如 1µH 至 2µH的线圈）。这样，来自开关转换的高 di/dt 电流将被限制在IN中，不会在PCB上流动。

由于DC/DC 电路下方的 GND 铺铜区域有阻抗，因此高 di/dt 涡流会产生电势差，并让该区域产生噪声。这个高噪声的 GND 区域必须与系统 GND 区域分开，尤其要与滤波器和连接器的任何 GND 参考区域隔离。在多层 PCB 中，可以分别布局各层，并通过层间的通孔阻抗来实现隔离。

INININ中，不会在PCB上流动。

PGND 区域不应直接连接到元件侧的任何其他 GND，只通过通孔连接到 DC/DC 模块下的 PGND 区域（如上图中的蓝色部分）。其目的是将高频电流限制在元件侧，将噪声与“外界”隔离开来。PCB中至少要设计一层完整的GND，以提供低阻抗的系统参考。请记住，布局也是电路的一部分。
电感下方要铺铜吗？

有些 PCB 布局工具预设不允许在电感芯下铺铜。对于这个问题，各方观点不一，有人认为根本无需铺铜，有人则认为应该直接在PCB 元件侧线圈正下方铺铜。

在图 3 显示的 4 层 PCB 中，线圈下方的任何层中都没有铺铜，其产生的磁场如图中所示。线圈产生的强磁力线直达 PCB 底部并紧紧围绕 PCB，有效耦合到任何连接的电缆中。PCB 上的滤波器组件则被空气旁路。在这种设计下，几乎不可能达到汽车 OEM的EMC标准。

图 4 显示的布局中，铜层直接铺在元件侧的线圈正下方。

图4: 铜层位于PCB上线圈的正下方这种设计为涡流提供了一个区域来抵消 PCB 外部已有的磁场。内层 2 和底层完全无噪声。EMC 滤波器组件可以有效放置在底部。涡流磁场会稍稍降低线圈的有效电感（通常小于 5%）。涡流还会在 GND铜层中产生一些损耗。铜层直接位于电感磁芯下方还有一个小缺点就是增大了绕组到 GND 的寄生电容。但在大多数设计中，该电容非常低，因此不会产生大的影响。
PCB布局示例：MPQ443x系列

MPQ443x 系列产品均为40V 同步降压变换器，具有低工作静态电流和 1A 至 3.5A的输出电流，非常适合汽车和工业应用。

MPQ4430 IC (U1) PCB 的顶部具有对称的 CIN 组 (C1A-C1D)。这些电容的 GND 直接连接到 IC PGND 引脚，即底部 FET 的源极。这一片本地 GND 区域噪声较大。在元件侧，这片 GND 区域与其他任何GND 区域都没有直接的连接，唯一的连接处就是通过通孔连接到DC/DC 电路下方层中的GND 区域。在这种配置中，来自功率级的高 di/dt 电流被限制在元件侧。最高电流密度位于IN和 PGND 之间走线的内边缘，如示例中的绿色椭圆所示。

IN通过通孔连接到第 3 层。由于通孔存在电感，输入电流的高频部分仍留在顶部。CIN9 抑制了 IC 上的这个VIN节点；但由于它的高度为 6mm ，并且阴极连接到GND，因此也阻断了来自 SW 节点和线圈的部分E场辐射。

顶部 DC/DC 模块周围的切口将所有高频电流保留在该区域内。如果没有切口，则一小部分热回路电流仍会在 PCB 的边角处流动，从而使该区域产生噪声。

高 dV/dt SW节点连接到电感，而电感通常较大并会辐射出电场。对大多数电感而言，如果其绕组起点连接到 SW 节点，则电场辐射会较低。

减少线圈电场辐射的方法之一是在线圈两侧放置输出电容（C2A 和 C2B）。当电容与线圈一样高或更高时，效果最佳。一般而言，相比更大、更高的线圈，尺寸较小、更加扁平的电感具有更好的EMC 性能。

经过EMC 优化的PCB，其内层 1 为 GND层。该层应放置在顶部下方 70µm 处（见图 6）。该 GND 区域噪声较大。在DC/DC 模块周围的GND 区域做切口，可防止剩余电流在连接器和滤波器组件下方层的边缘流动。切口应为两个狭长的开口，准确开在VIN和VOUT被路由到下层DC/DC 电路的位置，以提供预设的本地返回路径。测试结果：30MHz 至100MHz传导发射

在fSW= 470kHz 且频谱扩展调制 (SSFM) 条件下，30MHz 至 108MHz 的传导发射测试结果约为 0dBµV，仅比系统噪声高几分贝。