一、那个让人头疼的辐射问题
做开关电源的工程师，大概都遇到过这种情况：样机功能测试一切正常，一上 EMC 测试台，辐射超标了。整改的时候，换磁珠、加屏蔽、贴吸波材料，能想到的办法都用上了，结果呢？有时候有点效果，有时候根本不管用，折腾半天找不到北。
其实啊，辐射问题就像发烧，症状在全身，但病根往往在一个地方。这个病根，就是功率环路。
二、功率环路是什么
简单说，功率环路就是开关器件导通时，电流流过的那个封闭回路。在一个典型的降压转换器里，功率环路主要包括输入电容、MOSFET开关、续流二极管，以及它们之间的连接铜箔。
为什么这个环路这么重要？因为电流流过的地方就会产生磁场，而变化的磁场会产生电场向外辐射。开关电源的开关频率一般在几十kHz到几MHz，开关瞬间的di/dt和dv/dt非常大，这些高频分量通过功率环路向空间辐射，就是我们常说的EMI问题。
这么说吧，功率环路就像一个天线只不过这个天线不是故意设计的，而是 PCB 布局不合理造成的。环路面积越大，等效辐射天线就越大，辐射强度自然就越高。
三、环路面积与辐射的关系
有个公式很多工程师都见过：辐射强度 E 与环路面积 A 成正比，与距离 r 成反比。直观理解就是，环路面积大一倍，辐射强度大概也要强上一倍。
实际测试数据也验证了这一点。同样规格的电源，功率环路面积从 100mm² 优化到 30mm²，30MHz 附近的辐射可以降低 10dB 以上。这可不是换几个磁珠能达到的效果。
问题来了，什么决定了环路面积？主要是两个因素：一个是器件的选型和布局位置，另一个是铜箔走线的路径。这两个因素加起来，决定了电流必须走多长的路、绕多大的圈。
四、开关瞬间到底发生了什么
MOSFET 开通的时候，电流从零瞬间跳到峰值，同时电压从高降到低。这个过程中，di/dt 可以达到几千A/us，dv/dt 可以达到几十V/ns。这些急剧变化的高频分量，频率成分可以延伸到几百MHz。
二极管反向恢复的时候，情况也差不多。存储电荷被快速抽走，反向电流急剧下降，这个过程产生的 di/dt 甚至比 MOSFET 开通还要剧烈。
这些高频分量通过功率环路传播，环路上的寄生电感会分压，寄生电容会耦合，最终以电磁波的形式辐射出去。如果环路面积大，这些能量就更容易被释放出来。
五、那些常见的布局错误
见过不少原理图设计得不错，但 PCB 一layout 就完蛋的例子。最常见的问题有这么几个：
第一，输入电容放得太远。输入电容是功率环路的关键节点，如果它离 MOSFET 和二极管比较远，电流就不得不绕远路，环路面积自然就大了。
第二，功率地和信号地混在一起。有些板子把功率回流路径和信号回流路径搅在一起，结果功率开关产生的噪声就顺着信号线到处跑，既增加了辐射，又容易干扰控制电路。
第三，走线太细或者过孔太多。细走线寄生电感大，过孔的寄生电感也不小，这些都会加剧环路的高频阻抗，让辐射问题更严重。
第四，输入输出端口距离太近。输入线上的开关噪声很容易耦合到输出线上，然后顺着线缆辐射出去。
六、优化功率环路的实用方法
知道了问题所在，改善起来就有方向了。下面几个方法比较实用：
1. 输入电容尽量靠近开关器件
输入电容的 VIN 和 GND 引脚，应该分别紧挨着 MOSFET 的漏极和二极管的阴极。这个位置确定了，功率环路的一边就定了。电容和开关之间的距离，最好控制在 5mm 以内，铜箔宽度也要足够。
2. 采用紧凑的环形布局
理想的布局是输入电容、MOSFET、二极管三者围成一个紧密的三角形，电流在这个三角形里流动，环路面积就是三角形面积。如果能做到这个形状，环路面积基本就是最小了。
3. 使用叠层或宽铜皮
如果有多层板，可以把电源层和地层叠在一起，利用层间电容提供高频回路，寄生电感会小很多。单面板的话，铜皮尽量宽一点，走线尽量短一点。
4. 功率地和信号地分开
功率地走粗线、短路，单独形成一个回流区域。信号地通过专门的连接点接到功率地，避免功率开关噪声污染信号地。
5. 重视输入电容的选型和位置
输入电容最好用多个 MLCC 电容并联，谐振频率要覆盖开关频率的 10 倍以上。电容的 ESL（等效串联电感）对高频阻抗影响很大，选型的时候要注意。
七、实战经验小结
最后说几点实战中积累的经验：
EMI 测试超标的时候，先别急着加滤波器或者屏蔽。先拿近场探头扫一下板子，找到辐射最强的位置，往往就能定位到环路面积最大的地方。改一小块 PCB，可能比改一堆外围器件更有效。
仿真工具现在越来越好用，如果有条件，可以用仿真软件先评估一下不同布局方案的环路电感，做到心里有数再动手。
样机阶段发现辐射问题，整改成本最低。量产之后再改版，代价就大了。所以功率环路的优化，最好在 PCB layout 阶段就充分考虑，而不是等测试失败再补救。
开关电源的辐射问题，根源往往就在那几平方厘米的功率环路。与其到处围堵，不如从根本上缩小环路面积。这个思路搞清楚了，整改效率会高很多。
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