SMPS电感器的装配方向会影响辐射吗
作者：keith szolusha, gengyao li, and frank wang
开关模式电源 （smps） 产生的 emi 辐射频谱是许多参数的函数，包括热回路的大小、开关速度（压摆率）和频率、输入和输出滤波、屏蔽、布局和接地。一个潜在的辐射源是开关节点，在许多原理图上称为sw。sw节点铜可以充当天线，传输快速高效的高功率开关事件产生的噪声。这是大多数开关稳压器的主要排放源。
顶层sw节点铜的量当然应该最小化，以限制天线尺寸。利用单片式开关稳压器（ic内的电源开关），sw节点从ic到电感器，顶层有一条短走线。使用控制器（开关控制器 ic 外部的电源开关），sw 节点可以在开关上独立，远离 ic。sw 节点铜连接到降压和升压开关拓扑中电感器的一侧。由于涉及许多性能参数，因此在pcb的xy平面或内层上布局第1层sw节点有点像黑艺术（见图1）。
图1.dc3008a lt8386 低 emi led 驱动器上第 1 层 xy 平面中的软件节点突出显示。
电感器几何形状
当然，当考虑电感端子时，sw节点也会垂直延伸（在z平面上）。电感端子的垂直方向可以增加sw节点的天线效应并增加发射。此外，内部电感绕组可能不对称。即使电感器的对称端子表明封装中隐藏着对称结构，元件顶部的极性指示器也能说明不同的情况。图2显示了线艺xal电感器系列的内部绕组结构。扁平线绕组从元件底部开始，到顶部结束，因此在 z 平面中，一个端子最终比另一个端子短得多。
此外，侧面裸露sw节点的电感可能比具有屏蔽垂直金属的电感性能差，如图3所示。电路板设计人员可以选择垂直端子和裸露端子数量最少的电感器来降低emi，但是两个电感端子的方向和对辐射的相对影响呢？
排放讲述故事
被测电路板的低辐射性能是ic辐射性能和布局考虑因素的组合。即使使用低辐射单片ic，也必须注意布局，同时还要考虑关键辐射组件的组装。为了证明这一点，我们研究了lt8386演示电路的主电感l1电路板上的定向影响（见图4）。在这种情况下，电感器制造商线艺指定 xal6060 系列电感器的短端子，并在组件的顶部标记上用白线指定。emi 暗室中的标准 cispr 25 传导发射 （ce） 和辐射发射 （re） 测试表明，该电感器的放置方向（见图 5）会严重影响性能。
图3.在emi敏感设计中，要注意电感端子类型，而不仅仅是方向。
图4.dc3008a lt8386 低 emi led 驱动器示意图中突出显示了 sw 节点。将短边端子放在方向 1 和方向 2 处，以比较完整的发射结果。
图5.线艺xal6060-223meb电感器方向辐射测试采用dc3008a lt8386 led驱动器。sw 节点上具有短端子的 l1 方向 1（左）和 sw 节点上具有长端子的 l1 方向 2（右）。排放结果如图6至图8所示。
图6、图7和图8显示，dc3008a的辐射性能直接受到演示电路上l1方向的影响，没有其他组件变化。具体而言，低频 re（150 khz 至 150 mhz）和 fm 频段 ce（70 mhz 至 108 mhz）在方向 1（即放置在 sw 节点上的短边端子）时具有较低的 emi。am频段17 dbμv/m至20 dbμv/m的差异不容忽视。
并非所有电感的产生方式都相同。绕组方向、端子形状、端子连接的形状，甚至芯材都可能有所不同。具有不同磁芯材料和结构差异的h场和e场的强度可能在电感器之间的不同发射中发挥作用。然而，这个案例研究揭示了一个值得关注的领域，可以利用它对我们有利。
图6.辐射发射表明，dc3008a上的电感方向对结果有重大影响。通过将短边端子连接到最小sw天线（红色）的sw节点，辐射发射（re）得到显着改善。
图7.电流探头方法传导发射（ce）显示，与替代极性相比，将电感的短端连接到开关节点时，电感的短端发射（>3 mhz）有所改善。
图8.电压法传导发射（ce）显示，与替代极性相比，电感的短端连接到开关节点时，在3 mhz以上有所改善。
不带极化指示器的电感器
如果电感器制造商用顶部丝网印刷标记或圆点指示内部端子尺寸的差异，则很容易确定方向。如果选择其中一个电感器进行设计，明智的做法是在pcb的丝网印刷，装配图甚至原理图中注明标记。遗憾的是，有些电感器没有极化或短路端子指示器。内部的绕组结构可能接近对称，或者可能存在已知的结构差异。这里没有恶意——制造商可能没有意识到他们产品中固有的这种非常特殊的装配方向权衡。无论如何，我们建议在选定电感器的认证腔室中评估两个方向的辐射，以确保可重复的高性能测量。
有时没有外部标记，电感器的组装方向不可避免地是任意的，但电感器对于其他参数是可取的。例如，伍尔特电子的we-mapi金属合金功率电感器体积小，效率高。它们的端子仅位于机箱的底部。每个器件顶部靠近we标志的地方都有一个点，但数据手册上没有将该点指示为绕组开始指示器（见图9）。虽然这在一开始会带来一些混乱，但预计该零件在两个装配方向上都具有相同的性能，并且具有相当对称的内部绕组结构。因此，ic顶部的点不必在组件丝网印刷上标明。不过，如果在emi关键电路中使用，明智的做法可能是在两个方向上进行测试以确保。
另一个例子：伍尔特we-xhmi
我们使用高性能伍尔特电感测试了dc3008a，其绕组起点在封装顶部和数据手册中用一个点表示（见图10）。74439346150 15 μh电感非常适合lt8386外形尺寸和电流要求。同样，为了与线艺进行比较，辐射测试是在两个方向上安装该电感的情况下进行的（见图11）。
结果（见图12）与线艺电感相似。辐射结果表明，组件中电感器的方向对辐射有显著影响。在这种情况下，图11中的方向1显然是实现最低排放的最佳方向。使用方向 1，较低频率的 am 频段 （re） 和 fm 频段 （ce） 发射明显更好。
图9.we-mapi 电感器数据手册未指示绕组点的开始，尽管组件顶部标记上有一个绕组点的开始。这些电感器可能没有方向-发射效应，但应进行测试以确保。
图 10.we-xhmi系列电感器的绕组起点由顶部标记表示。
图 11.伍尔特74439346150（“we 150”）电感器取向辐射测试采用dc3008a lt8386 led驱动器。l1 方向 1（左），sw 节点上绕组的短端子起点和 sw 节点上具有长端子的 l1 方向 2（右）。图12中的辐射结果表明，为了获得最佳结果，绕组的起点应连接到sw节点。
2开关节点降压升压ic（结果如下）
很明显，电感方向会对单个开关节点升压led驱动器的辐射产生影响。我们可以假设升压稳压器具有相同的sw节点特征辐射结果，因为稳压器和led驱动器电路中的功率转换和开关元件相同。
我们还可以假设降压稳压器在最小化电感端子的天线效应方面具有类似的sw节点设计优先级。不过，由于降压稳压器的sw节点更靠近转换器的输入侧，后续工作可能有助于确定re和ce区域中电感方向的影响是否与升压稳压器相同。
对于2开关节点降压-升压转换器，存在一些困境。常用的降压-升压转换器（例如lt8390 60 v同步4开关降压-升压控制器系列中的转换器）具有重要的低emi特性，如ssfm和小型热回路架构。单电感器设计使电感方向如何影响辐射的画面不太清晰。如果短端子放置在一个sw节点上，则长端子就像另一个sw节点上的天线一样。在这些设计中，哪个方向最好？当所有四个开关都在 4 开关操作区域 （v在接近 v外)?
我们将在以后的文章中探讨这个问题，其中具有两个sw节点的4开关降压-升压控制器针对电感方向进行emi测试。值得深思的是：对于这种拓扑，也许有两个以上的选择，相距 180°？
图 12.辐射和传导发射表明，伍尔特74439346150高性能电感器的装配方向对发射结果有重大影响。
结论
开关稳压器中电感器的组装方向确实很重要。测量辐射时，请注意电感方向及其可重复性——注意所选电感的任何差异，在两个方向上进行测试，并在无法确定方向时向电路板生产清楚地传达任何可能的组装陷阱。改善的辐射可能只需简单的180°电感旋转即可。
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顶层sw节点铜的量当然应该最小化，以限制天线尺寸。利用单片式开关稳压器（ic内的电源开关），sw节点从ic到电感器，顶层有一条短走线。使用控制器（开关控制器 ic 外部的电源开关），sw 节点可以在开关上独立，远离 ic。sw 节点铜连接到降压和升压开关拓扑中电感器的一侧。由于涉及许多性能参数，因此在pcb的xy平面或内层上布局第1层sw节点有点像黑艺术（见图1）。
图1.dc3008a lt8386 低 emi led 驱动器上第 1 层 xy 平面中的软件节点突出显示。
电感器几何形状
当然，当考虑电感端子时，sw节点也会垂直延伸（在z平面上）。电感端子的垂直方向可以增加sw节点的天线效应并增加发射。此外，内部电感绕组可能不对称。即使电感器的对称端子表明封装中隐藏着对称结构，元件顶部的极性指示器也能说明不同的情况。图2显示了线艺xal电感器系列的内部绕组结构。扁平线绕组从元件底部开始，到顶部结束，因此在 z 平面中，一个端子最终比另一个端子短得多。
此外，侧面裸露sw节点的电感可能比具有屏蔽垂直金属的电感性能差，如图3所示。电路板设计人员可以选择垂直端子和裸露端子数量最少的电感器来降低emi，但是两个电感端子的方向和对辐射的相对影响呢？
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被测电路板的低辐射性能是ic辐射性能和布局考虑因素的组合。即使使用低辐射单片ic，也必须注意布局，同时还要考虑关键辐射组件的组装。为了证明这一点，我们研究了lt8386演示电路的主电感l1电路板上的定向影响（见图4）。在这种情况下，电感器制造商线艺指定 xal6060 系列电感器的短端子，并在组件的顶部标记上用白线指定。emi 暗室中的标准 cispr 25 传导发射 （ce） 和辐射发射 （re） 测试表明，该电感器的放置方向（见图 5）会严重影响性能。
图3.在emi敏感设计中，要注意电感端子类型，而不仅仅是方向。
图4.dc3008a lt8386 低 emi led 驱动器示意图中突出显示了 sw 节点。将短边端子放在方向 1 和方向 2 处，以比较完整的发射结果。
图5.线艺xal6060-223meb电感器方向辐射测试采用dc3008a lt8386 led驱动器。sw 节点上具有短端子的 l1 方向 1（左）和 sw 节点上具有长端子的 l1 方向 2（右）。排放结果如图6至图8所示。
图6、图7和图8显示，dc3008a的辐射性能直接受到演示电路上l1方向的影响，没有其他组件变化。具体而言，低频 re（150 khz 至 150 mhz）和 fm 频段 ce（70 mhz 至 108 mhz）在方向 1（即放置在 sw 节点上的短边端子）时具有较低的 emi。am频段17 dbμv/m至20 dbμv/m的差异不容忽视。
并非所有电感的产生方式都相同。绕组方向、端子形状、端子连接的形状，甚至芯材都可能有所不同。具有不同磁芯材料和结构差异的h场和e场的强度可能在电感器之间的不同发射中发挥作用。然而，这个案例研究揭示了一个值得关注的领域，可以利用它对我们有利。
图6.辐射发射表明，dc3008a上的电感方向对结果有重大影响。通过将短边端子连接到最小sw天线（红色）的sw节点，辐射发射（re）得到显着改善。
图7.电流探头方法传导发射（ce）显示，与替代极性相比，将电感的短端连接到开关节点时，电感的短端发射（>3 mhz）有所改善。
图8.电压法传导发射（ce）显示，与替代极性相比，电感的短端连接到开关节点时，在3 mhz以上有所改善。
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有时没有外部标记，电感器的组装方向不可避免地是任意的，但电感器对于其他参数是可取的。例如，伍尔特电子的we-mapi金属合金功率电感器体积小，效率高。它们的端子仅位于机箱的底部。每个器件顶部靠近we标志的地方都有一个点，但数据手册上没有将该点指示为绕组开始指示器（见图9）。虽然这在一开始会带来一些混乱，但预计该零件在两个装配方向上都具有相同的性能，并且具有相当对称的内部绕组结构。因此，ic顶部的点不必在组件丝网印刷上标明。不过，如果在emi关键电路中使用，明智的做法可能是在两个方向上进行测试以确保。
另一个例子：伍尔特we-xhmi
我们使用高性能伍尔特电感测试了dc3008a，其绕组起点在封装顶部和数据手册中用一个点表示（见图10）。74439346150 15 μh电感非常适合lt8386外形尺寸和电流要求。同样，为了与线艺进行比较，辐射测试是在两个方向上安装该电感的情况下进行的（见图11）。
结果（见图12）与线艺电感相似。辐射结果表明，组件中电感器的方向对辐射有显著影响。在这种情况下，图11中的方向1显然是实现最低排放的最佳方向。使用方向 1，较低频率的 am 频段 （re） 和 fm 频段 （ce） 发射明显更好。
图9.we-mapi 电感器数据手册未指示绕组点的开始，尽管组件顶部标记上有一个绕组点的开始。这些电感器可能没有方向-发射效应，但应进行测试以确保。
图 10.we-xhmi系列电感器的绕组起点由顶部标记表示。
图 11.伍尔特74439346150（“we 150”）电感器取向辐射测试采用dc3008a lt8386 led驱动器。l1 方向 1（左），sw 节点上绕组的短端子起点和 sw 节点上具有长端子的 l1 方向 2（右）。图12中的辐射结果表明，为了获得最佳结果，绕组的起点应连接到sw节点。
2开关节点降压升压ic（结果如下）
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我们还可以假设降压稳压器在最小化电感端子的天线效应方面具有类似的sw节点设计优先级。不过，由于降压稳压器的sw节点更靠近转换器的输入侧，后续工作可能有助于确定re和ce区域中电感方向的影响是否与升压稳压器相同。
对于2开关节点降压-升压转换器，存在一些困境。常用的降压-升压转换器（例如lt8390 60 v同步4开关降压-升压控制器系列中的转换器）具有重要的低emi特性，如ssfm和小型热回路架构。单电感器设计使电感方向如何影响辐射的画面不太清晰。如果短端子放置在一个sw节点上，则长端子就像另一个sw节点上的天线一样。在这些设计中，哪个方向最好？当所有四个开关都在 4 开关操作区域 （v在接近 v外)?
我们将在以后的文章中探讨这个问题，其中具有两个sw节点的4开关降压-升压控制器针对电感方向进行emi测试。值得深思的是：对于这种拓扑，也许有两个以上的选择，相距 180°？
图 12.辐射和传导发射表明，伍尔特74439346150高性能电感器的装配方向对发射结果有重大影响。
结论
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