SMPS電感器的裝配方向會影響輻射嗎

作者：Keith Szolusha, Gengyao Li, and Frank Wang

開關模式電源 （SMPS） 產生的 EMI 輻射頻譜是許多參數的函數，包括熱回路的大小、開關速度（壓擺率）和頻率、輸入和輸出濾波、屏蔽、布局和接地。一個潛在的輻射源是開關節點，在許多原理圖上稱為SW。SW節點銅可以充當天線，傳輸快速高效的高功率開關事件產生的噪聲。這是大多數開關穩壓器的主要排放源。

頂層SW節點銅的量當然應該最小化，以限制天線尺寸。利用單片式開關穩壓器（IC內的電源開關），SW節點從IC到電感器，頂層有一條短走線。使用控制器（開關控制器 IC 外部的電源開關），SW 節點可以在開關上獨立，遠離 IC。SW 節點銅連接到降壓和升壓開關拓撲中電感器的一側。由于涉及許多性能參數，因此在PCB的XY平面或內層上布局第1層SW節點有點像黑藝術（見圖1）。

圖1.DC3008A LT8386 低 EMI LED 驅動器上第 1 層 XY 平面中的軟件節點突出顯示。

電感器幾何形狀

當然，當考慮電感端子時，SW節點也會垂直延伸（在Z平面上）。電感端子的垂直方向可以增加SW節點的天線效應并增加發射。此外，內部電感繞組可能不對稱。即使電感器的對稱端子表明封裝中隱藏著對稱結構，元件頂部的極性指示器也能說明不同的情況。圖2顯示了線藝XAL電感器系列的內部繞組結構。扁平線繞組從元件底部開始，到頂部結束，因此在 Z 平面中，一個端子最終比另一個端子短得多。

此外，側面裸露SW節點的電感可能比具有屏蔽垂直金屬的電感性能差，如圖3所示。電路板設計人員可以選擇垂直端子和裸露端子數量最少的電感器來降低EMI，但是兩個電感端子的方向和對輻射的相對影響呢？

排放講述故事

被測電路板的低輻射性能是IC輻射性能和布局考慮因素的組合。即使使用低輻射單片IC，也必須注意布局，同時還要考慮關鍵輻射組件的組裝。為了證明這一點，我們研究了LT8386演示電路的主電感L1電路板上的定向影響（見圖4）。在這種情況下，電感器制造商線藝指定 XAL6060 系列電感器的短端子，并在組件的頂部標記上用白線指定。EMI 暗室中的標準 CISPR 25 傳導發射 （CE） 和輻射發射 （RE） 測試表明，該電感器的放置方向（見圖 5）會嚴重影響性能。

圖3.在EMI敏感設計中，要注意電感端子類型，而不僅僅是方向。

圖4.DC3008A LT8386 低 EMI LED 驅動器示意圖中突出顯示了 SW 節點。將短邊端子放在方向 1 和方向 2 處，以比較完整的發射結果。

圖5.線藝XAL6060-223MEB電感器方向輻射測試采用DC3008A LT8386 LED驅動器。SW 節點上具有短端子的 L1 方向 1（左）和 SW 節點上具有長端子的 L1 方向 2（右）。排放結果如圖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演示電路上L1方向的影響，沒有其他組件變化。具體而言，低頻 RE（150 kHz 至 150 MHz）和 FM 頻段 CE（70 MHz 至 108 MHz）在方向 1（即放置在 SW 節點上的短邊端子）時具有較低的 EMI。AM頻段17 dBμV/m至20 dBμV/m的差異不容忽視。

并非所有電感的產生方式都相同。繞組方向、端子形狀、端子連接的形狀，甚至芯材都可能有所不同。具有不同磁芯材料和結構差異的H場和E場的強度可能在電感器之間的不同發射中發揮作用。然而，這個案例研究揭示了一個值得關注的領域，可以利用它對我們有利。

圖6.輻射發射表明，DC3008A上的電感方向對結果有重大影響。通過將短邊端子連接到最小SW天線（紅色）的SW節點，輻射發射（RE）得到顯著改善。

圖7.電流探頭方法傳導發射（CE）顯示，與替代極性相比，將電感的短端連接到開關節點時，電感的短端發射（>3 MHz）有所改善。

圖8.電壓法傳導發射（CE）顯示，與替代極性相比，電感的短端連接到開關節點時，在3 MHz以上有所改善。

不帶極化指示器的電感器

如果電感器制造商用頂部絲網印刷標記或圓點指示內部端子尺寸的差異，則很容易確定方向。如果選擇其中一個電感器進行設計，明智的做法是在PCB的絲網印刷，裝配圖甚至原理圖中注明標記。遺憾的是，有些電感器沒有極化或短路端子指示器。內部的繞組結構可能接近對稱，或者可能存在已知的結構差異。這里沒有惡意——制造商可能沒有意識到他們產品中固有的這種非常特殊的裝配方向權衡。無論如何，我們建議在選定電感器的認證腔室中評估兩個方向的輻射，以確?？芍貜偷母咝阅軠y量。

有時沒有外部標記，電感器的組裝方向不可避免地是任意的，但電感器對于其他參數是可取的。例如，伍爾特電子的WE-MAPI金屬合金功率電感器體積小，效率高。它們的端子僅位于機箱的底部。每個器件頂部靠近WE標志的地方都有一個點，但數據手冊上沒有將該點指示為繞組開始指示器（見圖9）。雖然這在一開始會帶來一些混亂，但預計該零件在兩個裝配方向上都具有相同的性能，并且具有相當對稱的內部繞組結構。因此，IC頂部的點不必在組件絲網印刷上標明。不過，如果在EMI關鍵電路中使用，明智的做法可能是在兩個方向上進行測試以確保。

另一個例子：伍爾特WE-XHMI

我們使用高性能伍爾特電感測試了DC3008A，其繞組起點在封裝頂部和數據手冊中用一個點表示（見圖10）。74439346150 15 μH電感非常適合LT8386外形尺寸和電流要求。同樣，為了與線藝進行比較，輻射測試是在兩個方向上安裝該電感的情況下進行的（見圖11）。

結果（見圖12）與線藝電感相似。輻射結果表明，組件中電感器的方向對輻射有顯著影響。在這種情況下，圖11中的方向1顯然是實現最低排放的最佳方向。使用方向 1，較低頻率的 AM 頻段 （RE） 和 FM 頻段 （CE） 發射明顯更好。

圖9.WE-MAPI 電感器數據手冊未指示繞組點的開始，盡管組件頂部標記上有一個繞組點的開始。這些電感器可能沒有方向-發射效應，但應進行測試以確保。

圖 10.WE-XHMI系列電感器的繞組起點由頂部標記表示。

圖 11.伍爾特74439346150（“WE 150”）電感器取向輻射測試采用DC3008A LT8386 LED驅動器。L1 方向 1（左），SW 節點上繞組的短端子起點和 SW 節點上具有長端子的 L1 方向 2（右）。圖12中的輻射結果表明，為了獲得最佳結果，繞組的起點應連接到SW節點。

2開關節點降壓升壓IC（結果如下）

很明顯，電感方向會對單個開關節點升壓LED驅動器的輻射產生影響。我們可以假設升壓穩壓器具有相同的SW節點特征輻射結果，因為穩壓器和LED驅動器電路中的功率轉換和開關元件相同。

我們還可以假設降壓穩壓器在最小化電感端子的天線效應方面具有類似的SW節點設計優先級。不過，由于降壓穩壓器的SW節點更靠近轉換器的輸入側，后續工作可能有助于確定RE和CE區域中電感方向的影響是否與升壓穩壓器相同。

對于2開關節點降壓-升壓轉換器，存在一些困境。常用的降壓-升壓轉換器（例如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和小型熱回路架構。單電感器設計使電感方向如何影響輻射的畫面不太清晰。如果短端子放置在一個SW節點上，則長端子就像另一個SW節點上的天線一樣。在這些設計中，哪個方向最好？當所有四個開關都在 4 開關操作區域 （V在接近 V外)?

我們將在以后的文章中探討這個問題，其中具有兩個SW節點的4開關降壓-升壓控制器針對電感方向進行EMI測試。值得深思的是：對于這種拓撲，也許有兩個以上的選擇，相距 180°？

圖 12.輻射和傳導發射表明，伍爾特74439346150高性能電感器的裝配方向對發射結果有重大影響。

結論

開關穩壓器中電感器的組裝方向確實很重要。測量輻射時，請注意電感方向及其可重復性——注意所選電感的任何差異，在兩個方向上進行測試，并在無法確定方向時向電路板生產清楚地傳達任何可能的組裝陷阱。改善的輻射可能只需簡單的180°電感旋轉即可。

審核編輯：郭婷