在DC-DC变换器的开关节点或电感器下是否应该切掉接地返回平面一直是一个争论不休的问题。

所有转换电路下的相邻固体平面的论点是在电路迹线和返回平面之间的介电空间中包含电磁场;这将阻止EMI在董事会的扩散。

另一些人则认为应切断电路迹线与回程平面之间的电容耦合，以尽量减少由于大而产生的电容耦合dV / dt变换器开关节点的摆动，对应的回流面受电磁干扰的污染。此外，在电感器下方的任何固体平面上都存在感应涡流。尽管，任何由电感器产生的涡流倾向于自消，并减少来自电感器的整体场水平(取决于类型和安装方向)。

我的同事史蒂夫·桑德勒(Steve Sandler)决定通过设计四个相同的降压转换器电路(图1)和组件布局(图2)，建立在两层堆叠(图3)的基础上(实验设计)来研究这个问题。实验的目的是比较(1)固体返回平面，(2)开关节点板上的切口，(3)开关电感器下的切口，(4)开关节点和电感器下的切口。四种回程平面设计见图4。

转换器的设计

图1。四个转换器的原理图。

图2。组件布局的图形图。

图3。采用了堆叠式设计。除了增加的空隙外，底层是固体的。

这四块板被标记为(参见图4):

图4。显示返回平面(底层)的四个转换板为四种配置切割。

电磁兼容测试

我心中最大的两个问题是，这四种板在辐射和传导发射方面的性能如何比较。

进行排放

1. 传统的5µH直流LISN-这是根据CISPR 15对汽车模块采用的常规方法。频谱分析仪与LISN连接。用标记定位在采样频率峰值处测量各种频率范围，并测量振幅。
2. Vin电缆上的电流探头-射频电流探头直接连接到频谱分析仪，标记放置在被测样品的峰值和振幅处。
3. LISN伴侣测试-使用LISN Mate与一对传统的5µH直流lisn允许分离差模和共模电流，并在采样频率峰值上独立测量每一个。

辐射排放

测试设备:

• Tekbox Digital Solutions 5µH LISN，型号TBOH01 (x2)
• Siglent Technologies频谱分析仪，型号SSA 3032X (9 kHz至3.2 GHz)
• Rigol Technologies频谱分析仪，型号DSA815TG (9 kHz至1.5 GHz) -用于Y.I.C EMScanner
• Siglent Technologies函数/任意波形发生器，型号SDG 1062X
• Siglent Technologies双电源，型号SPD3303C
• Rigol Technologies主动负载，型号DL3021
• Tekbox数字解决方案LISN Mate，型号TBLM01
• 费舍尔定制通信射频电流探头，型号F-33-1
• Y.I.C. Technologies, EMScanner, 150 kHz至8 GHz，型号EMS8000。

铝箔条被粘在工作台上，模拟导电接地面。lisn用胶粘铜带粘在这个平面上。被测板被放置在绝缘垫片上。通用测试设置如图5所示。

图5。所进行的排放测量的一般测试设置。在本例中，显示了LISN Mate配置。

图6、7、8和9显示了四个测试设置图。对每块板施加1A负载。

图6。常规LISN传导排放测试的测试设置。这是第一次进行测试。

图7。使用常规射频电流探头测量电源输入电线的共模电流水平，从而进行发射的测试。

图8。测试设置使用LISN Mate来区分差分模式和共模式电流。

图9。测试设置使用Y.I.C.技术公司的电磁场扫描仪，以绘制出从PC板发出的h场。

图10显示了Y.I.C. Technologies电磁场扫描仪的总体测试设置。它由1218个微小的h场环阵列组成，贯穿扫描器的网格区域。在网格上放置一块PC板，并定义区域以捕获谐波发射的最大化图的结果，以及板周围近场h场的“热图”。

用胶布固定一个木夹具，以确保每块测量板的正确定位。在软件中定义了PC板下的天线阵格，以及频段的上下限。

图10。整个测试设置使用Y.I.C技术公司的电磁场扫描仪来绘制电路板周围的场。木夹具用于保证板对板的定位精度。

测试程序-传导排放物

测试程序是在我探索测量数据的最佳方法时开发的。差异通常在0.5到4 dB之间，所以当我进行四种类型的测量时，它被改进了。

由于板与板之间的谐波振幅差异非常小，我最终在沿测量频谱分布的随机峰值上放置标记(Siglent频谱分析仪的最大值为4个)，并显示一个“标记表”，它显示了每个峰值的振幅。

使用相同的四个标记来测量每一块板，并将数据进行比较和绘制。这种方法用于每块板，分别在150 kHz到30 MHz和30到500 MHz进行扫描。随后在150 kHz到100 MHz之间进行确认测试。图11、12和13显示了来自各种测试的典型光谱响应。

图11。使用传统LISN的典型传导发射光谱(500 kHz至1 GHz)。约230mhz的峰值是由于交换节点上的强振铃引起的。黄色的痕迹是系统噪声下限，紫色表示传导发射(dBµV).基本开关频率为1mhz(左峰)。

图12。一个典型的数据捕获使用四个可用的标记在不同的光谱峰。这里，我们从150 kHz到30 MHz使用LISN来显示传导发射谐波。

图13。一个典型的数据捕获使用四个可用的标记在不同的光谱峰。在这里，我们从30到150兆赫，并使用LISN Mate显示差分模态谐波。

测试程序-字段映射

Y.I.C. Technologies的EMScanner配备了定制软件，可以自动测量谐波能量与频率的关系(光谱显示)，以及测量的h场发射和电路板周围电流流动的热图。一旦被测试的板被定位到扫描仪阵列上，板的面积被定义，相关的软件被激活，这些较小的板的结果在几秒钟内就可以得到。

我选择在两个不同的频段(150 kHz到30 MHz和10到300 MHz)上显示光谱和空间(热图)数据。

结果

在每种情况下，蓝色轨迹表示固体返回平面(板1-1)，图中越低越好(EMI越低)。

LISN对Vin的传导发射(图6中的测试设置)

图14。这个结果让我很惊讶;它与其他测量方法不一致。我们可以清楚地看到，实心板(1-1)从3到约20 MHz差了几个dB，之后，四种板似乎没有什么区别。该测试重复多次，以确保一致的测量结果。

Vin上的电流探头(图7中的测试设置)

图15。用射频电流探头测量Vin电缆上的共模电流，并将固体平面(1-1)与完全切断平面(0-0)进行比较，我们可以看到，在大多数频率高于10 MHz的情况下，固体平面具有1到2 dB的发射少的优势(蓝线)。低于10 MHz的频率变化更大，结果不一致。

在电缆上放置一个射频电流探头，并使用工作台故障排除EMC发射(卷2)[4]中描述的易于理解的e场方程测量与辐射发射相关的分钟射频电流，这意味着固体返回平面的辐射发射可能略低。

LISN配对-差分模式(图8中的测试设置)

图16。当测量差模电流的差异时，使用固体返回面有明显的优势。根据频率的不同，差异在0.5到6分贝之间。

分离出差分和共模噪声电流的优点是可以更智能地评估输入滤波器部分。这对于设计输入电磁干扰滤波器来说是一个显著的优势。在图16中，我们可以清楚地看到，差模噪声电流受固体返回平面的影响很大，而在图17中，共模噪声电流受固体返回平面的影响较小。

LISN配对-共同模式(图8中的测试设置)

图17。当测量共模电流的差异时，在所有频率下使用固体返回面并没有那么明显的优势。然而，在7兆赫和36到约80兆赫之间存在差异。根据频率的不同，固体平面和其他平面之间的差异在0.25到2.5 dB之间。

Y.I.C. Technologies现场扫描仪-辐射场(图9中的测试设置)

图18。从150khz到30mhz，全空板(0-0)在电感器和开关节点下有几个热点，从底部发出的辐射在30 dB达到峰值µV。

在图18中，这张从150 kHz到30 MHz的屏幕截图在左边显示了频谱响应，在右边显示了在电路板周围流动的高频电流的空间“热图”。正如我们所看到的，完全空腔的板(0-0)在光谱显示中显示高1 MHz的开关频率和几个“热点”表示高频电磁场和相关的电流流经板的底部。

图19所示。从150 kHz到30 MHz，固体板(1-1)看起来相对安静;底部的排放物减少了大约5到10分贝。

图19是使用固体返回平面(板1-1)的相同捕获。谱响应降低了7到10分贝，空间响应显示较低的场和相关的高频电流在板上流动。

图20。从10到300 MHz范围看，全空板(0-0)在电感和开关节点下有一个强热点，从底部发出的辐射明显更高，在33 d左右达到峰值BµV．

在图20中，我们现在从10到300 MHz，因为我想捕获一个已知的共振，由于开关波形上的270 MHz振铃。全空板(0-0)显示非常高的频谱谐波和在开关节点和电感下定义的热点。

图21。从10到300兆赫，固体板(1-1)看起来是良性的，从底部的发射减少到13分贝µV，或低20分贝。

图21是固体返回平面(板1-1)从10到300 MHz的捕获图，清楚地显示了光谱显示中从100到300 MHz的谐波能量下降了20 dB，空间显示中很少有高频电流。

结论

在频率高于10兆赫兹的情况下，似乎很明显，固体回程面的传导发射等于或优于带切口的回程面(在大多数频率下)。在10mhz以下的频率上，差别就不那么明显了。

我不确定为什么使用LISN进行的标准排放测试与其他测试结果不一致。这个测试重复了几次以确保可重复性。尽管如此，我不得不注意到，在10mhz以下的其他测试结果确实出现了变化，或者似乎表明固体返回平面在某些情况下也相对较差。

正如预期的那样，电磁场扫描器清楚地显示出较少的谐波能量和较低的高频电流在固体返回平面的板底部。

这是有用的，认识到这个数据是只有效的buck转换器和这个板设计。其他DC-DC变换器拓扑结构，以及那些在高得多的一次电压下离线工作的拓扑结构，可能在结果和结论上有很大的不同。

基于以上的结果，我倾向于建议所有DC-DC电源转换都使用一个固态的返回平面。在10mhz以下的情况下，固体平面似乎较差，它通常只有2-3分贝。

鸣谢

我要感谢史蒂文·桑德勒用小环装饰为这次评估设计和生产四块PC板样品，并获得他的技术协助。据史蒂夫说，这本来是一个开源项目，邀请其他人参与。为此，讨论的是用小环装饰论坛在这个页面上你可以免费下载原理图，BOM, GERBER文件，odb++模拟文件。那些希望重复这些测试的人，Picotest有有限数量的空白板可供出售。直接联系史蒂夫获取信息。

一个相关的文章阐述了开关电感器的选择。在这个实验中使用的电感有一个相对较高的电容，可能辐射相当好。

我的同事，EMC FastPass的Andy Eadie也对这些板进行了评估，并将结果汇编在一个视频[7]中。

参考文献

1. 安德烈和怀亚特,产品设计师的EMI故障排除食谱，科技出版社，2014。
2. 桑德勒,电源完整性-电子系统中电源相关参数的测量、优化和故障排除, 2014岁的麦格劳-希尔
3. 怀亚特,创建您自己的EMC故障排除套件(第1卷)第二版，WTS出版社，2022年。
4. 怀亚特,工作台故障排除电磁兼容排放(第2卷)．
5. 怀亚特,用于[低]电磁干扰的pcb设计。第1部分(分为四部分，其他部分相连)经济日报。
6. 怀亚特,Tekbox LISN Mate对评估滤波电路有价值经济日报。
7. 收购方,DC-DC变换器布局-实接地面还是开关节点下断路?(视频)．