【个人经验分享】SW铜皮越大越好吗?电源PCB里两种容易混淆的EMI问题

MPS的这篇PCB布局文章值得一看,不过是英文的:参考:MPS开关稳压器EMI优化

画开关电源PCB时,可能会遇到这样的审板意见:

“大电流走线再加宽一点。”

“SW这块铜太大了,缩小一点。”

SW不也流过电感电流吗?上一条让加宽,下一条又让缩小,到底该听哪条?如果旁边还留了散热铜,又该不该删?

两条建议可以同时做到:连接要短、要有足够宽度,同时避免绕远或铺出不必要的大面积铜皮。下面以同步Buck为例,沿着PCB上最值得检查的两处走一遍:本地输入电容附近的换流回路,以及从SW到电感的连接。

一、先看输入电容,它是不是只在图上靠近芯片

检查布局时,可以先从本地输入电容出发:沿正端走到上管,再看经下管和功率地回到电容负端的路径。电容看起来离芯片很近,但如果负端回路绕远,这一圈仍然不紧凑。

为什么先看这里?上管导通时,输入电容通过上管向输出电感和负载供能;下管导通时,电感电流经过下管续流。

把两个状态叠加比较,公共的输出支路里,电感电流在短暂换流期间近似连续;快速改变的是CIN、上管和下管支路中的电流。这里比较的是切换前后的电流差分。

因此,对同步Buck而言,需要特别关注由本地输入电容、上管、下管及连接构成的高di/dt回路,常被叫作热回路或hot loop。

这里的“热”强调快速变化的电流,不是在说这圈走线温度最高。MPS的低EMI布局资料同样把这个回路作为重点。

hot loop是识别快速电流变化的路径,不是一个上下管同时导通的正常工作回路。 平均供电电流经过整个负载,并不意味着整个供电大圈都是同样关键的换流区域。

二、铜已经很宽了,为什么还要缩短回路

如果一段铜皮虽然宽,却从芯片旁边绕了一圈才回到输入电容,仍然值得优先调整。快速电流经过路径上的寄生电感,会产生额外电压:

vL=L×di/dt。

假设等效寄生电感为3nH,电流在5ns内变化2A,电压量级就是1.2V。这只是简化估算,但已经能说明几纳亨的意义。

配图2把线宽保持相同,只改变路径。可以看到,铜皮虽然宽,绕远以后仍会形成较大的回路;需要同时缩短正向与返回路径。

更直接的做法是让本地输入电容靠近相关VIN和功率地端,正向与返回路径都短而紧凑,并结合封装引脚位置与层叠安排。

这里也不要只测量两个焊盘的直线距离。电流实际要经过哪些铜皮、过孔与封装连接,才决定完整路径。

三、SW又没接到信号线,为什么还会干扰它

原理图上没有连接,不代表PCB上完全没有耦合。SW连接上、下管与输出电感,它的电压会在每个周期内快速切换。

这片铜皮与下方参考层、附近信号、机壳等结构之间存在寄生电容。两端电压快速变化时,会产生位移电流:

i=C×dv/dt。

假设某条耦合路径的等效电容从10pF增至30pF,且这只电容两端都经历24V、10ns的线性电压变化,瞬时电流量级就从24mA变成72mA。若被耦合节点也在移动,计算时要用电容两端的实际电压差。

这并不是说SW面积增加三倍,所有耦合电容一定增加三倍;这里只用于说明电容与变化率的关系。

还要继续追问:电流从哪里返回?配图3把本地参考、敏感走线和机壳/线缆三种路径分开画。它们可能同时存在,对整机的影响却不相同,不能只看耦合电容大小。

四、为什么不应为了散热无限扩大SW铜皮

增加铜面积可能改善某些热路径与载流条件,但也可能增加与周围结构的耦合面积。

因此,设计目标应当是:在满足芯片推荐布局、载流、温升和间距的条件下,避免没有必要的SW扩展。

例如,SW从芯片到电感应当短而足够宽。为了铺铜方便把它延伸到接口旁边,可能增加不必要的耦合;把连接颈部缩得过窄,又会带来电流拥挤和温升。

散热应结合器件封装的主要热路径进行。不同芯片的裸露焊盘可能连接不同节点,不能统一要求都接地,也不能把厂商要求保留的铜区随意删掉。

MPS的这篇EMI优化资料提出控制SW面积,但具体实现仍要结合所选器件的布局与散热要求:参考:MPS开关稳压器EMI优化

五、SW下方的地,到底要不要挖空

查参考布局时,可能看到有的要求SW下方避铜,有的又强调保留完整地层。先别急着判断谁对谁错,要看它们说的是哪一层、哪一块区域,以及针对什么器件。

参考铜靠近SW,会改变寄生电容;移除参考铜,也会改变附近回流和屏蔽。因此,挖掉一块铜虽然可能减小局部电容,却不保证整机EMI一定改善。

更不能把SW局部的处理方式,扩大成在整个换流回路或信号参考层下挖一个大洞。这样可能破坏其他本来良好的返回路径。

先按配图4区分区域,再看手册分别如何要求:SW局部是否需要避铜,换流回路下方如何布置参考层,邻近信号的返回路径是否连续。不同器件、层叠和热设计的答案可能不同。

SW铜皮大小、其下方参考铜,以及相邻信号的参考连续性,是相关但不相同的设计问题。

六、同一个噪声峰值,可能对应不同整改方向

如果问题与高di/dt回路有关,可以检查本地输入电容、换流路径长度、过孔和封装连接。

如果主要怀疑SW电场耦合,则还要检查SW与接口、反馈、采样和机壳相关结构的位置关系。

如果边沿后的振铃很突出,又需要分析寄生谐振与阻尼。把铜皮缩小可能同时改变多种参数,单次结果变好,并不自动证明唯一原因就是面积。

验证时尽量保持器件、工况和探头接法一致,分别比较换流路径、SW耦合区域或阻尼调整的效果。这样才能判断哪个路径得到改善,而不只是看到换版后某个峰值下降。

七、画完电源后,沿这两条线检查一遍

第一条是电流线:本地CIN与功率开关之间的快速换流是否紧凑,返回路径有没有绕远?

第二条是电压线:SW快速切换时,附近哪些结构会通过寄生电容收到电流,是否靠近敏感节点或外部接口?

然后再复核载流、散热、间距以及手册约束。只盯着EMI把温升做坏,或者只盯着散热把SW延伸到整块板,都可能顾此失彼。

回路小主要在控制快速电流的路径,SW面积受控主要在管理快速电压节点的耦合。理解两者,才能处理“要宽”和“要小”之间的取舍。