在DC/DC 电源下方铺铜是否有益?

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简介

对DC/DC 电源的电感底部是否应该铺铜这个问题,工程师们常常意见分歧。 一种观点认为,在电感下方铺铜会在接地面上产生涡流;涡流会影响功率电感的电感量并增加系统损耗,而接地面噪声会影响其他高速信号。 另一种观点则认为,完整的铜平面可以降低 EMI 并改善散热。

本文将首先介绍电感的分类,然后进行一个电感下方铺铜的实验。最后,我们将解释铺设铜层的益处,然后再对 DC/DC 电源下方铺铜是否有益这个问题做出结论。

电感的分类

在解决铺铜争论之前,我们首先需要了解电感通常是如何分类的。简而言之,电感可分为三类:

非屏蔽电感

非屏蔽电感的磁路由核心由空气组成,这意味着它的磁力线完全暴露在空气中,没有任何磁屏蔽。

半屏蔽电感

半屏蔽电感是在非屏蔽电感的基础之上,将磁屏蔽材料结合在电感外围。 由于导磁材料的磁阻小,磁力线基本上被锁定在材料中。 只有一小部分磁场会从气隙中溢出。因此,这种电感的外部漏磁极小。

一体成型电感

一体成型电感将绕组和磁性材料一次浇筑而成,只在内部留下一个很小的气隙以防止电感饱和。因此,这类电感在很大程度上没有磁力线溢出。

图 1 总结了这三种类型的电感。

图1: 电感的分类

采用MPQ4420 进行铺铜实验

现在,我们用 MPQ4420 评估板来进行一个实验。为了模拟在电感下方铺设铜层,我们在电感附近放置一块接地铜片,然后测量电感电流纹波,用以评估在电感下方铺铜的影响。

实验结果表明,当铜片靠近非屏蔽电感放置时,峰值电感电流增加了约 8%(见图 2)。当使用其他类型电感时,电感电流的峰峰值几乎保持不变。

图 2:使用 MPQ4420 评估板进行验证实验

这个实验证明,在电感底部铺铜,仅对非屏蔽电感的感量有少量影响,对屏蔽电感感量则几乎没有影响。

在电感下方铺铜的益处

当在电感底部铺铜时,电感或者其他高频回路产生的磁场会在铺铜处产生涡流,涡流的作用会使得原磁力线被削弱,这就像电磁屏蔽罩一般,可以“阻断”磁场向下传播,减小高频磁场对空间内其他元器件的影响,从而有利于EMI的测试。(参见图 3)。如果我们将EMI滤波元件及接插件于背面放置,则能进一步优化EMI的性能。

图3: 涡旋效应抵消了高频磁场

MPS电感

MPS 提供半屏蔽电感和一体成型电感,电感范围从 0.33µH 到 22µH,饱和电流介于 0.8A 和 64A 之间。

MPL-SE 系列为半屏蔽电感,如 MPL-SE2512-4R7MPL-SE2512-220MPL-SE4030-150MPL-SE5040-R47,它们均采用外部磁性环氧树脂来增强磁特性。

MPL-AL 系列为扁线设计并具有低 DCR/ACR 的一体成型电感,如 MPL-AL4020-R47MPL-AL4020-2R2MPL-AL6060-6R8MPL-AL6050-R82。与圆线一体成型电感相比,扁线一体成型电感可以提供更高的额定电流。

结论

根据以上讨论,我们建议在EMI 测试中对电感铺铜,因为它可以改善 EMI 性能。从电感感量的角度,对于屏蔽型电感,电感感量基本没有影响,因此也建议铺铜;仅对于工字型电感,铺铜对电感感量有少许影响,工程师可以视情况而定。

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