姓名：16020140096劉珣玥
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有刪節(jié)。
【嵌牛導(dǎo)讀】：要想消除開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器中的EMI問題會(huì)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠渲泻泻芏喔哳l成分。電子元件中的寄生成分常常扮演很重要的角色，所以其表現(xiàn)常常與預(yù)期的大相徑庭。本文針對(duì)低壓Buck轉(zhuǎn)換器工作中的EMI問題進(jìn)行很基礎(chǔ)的分析，然后為這些問題的解決提供很實(shí)用的解決方案，非常具有參考價(jià)值。
【嵌牛鼻子】：在設(shè)計(jì)開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，電磁兼容問題通?？偸且谠O(shè)計(jì)完成以后的測(cè)試階段才會(huì)遇到。假如沒有在設(shè)計(jì)的第一階段就考慮到電磁兼容性問題，要在最后的環(huán)節(jié)再來降低其影響就會(huì)很困難，花費(fèi)也會(huì)很高。所以，為了確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程順暢無阻，能夠得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，最好的做法是在設(shè)計(jì)一開始的時(shí)候就開始考慮這個(gè)問題。在所有要考慮的因素中，元件選擇和PCB布局設(shè)計(jì)是獲得最佳EMI性能的關(guān)鍵。
【嵌牛提問】：?jiǎn)栴}是什么，解決的意義及方法
【嵌牛正文】：造成EMI問題的輻射源有兩類：交變電場(chǎng)（高阻），交變磁場(chǎng)（低阻）。非隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器具有阻抗很低的節(jié)點(diǎn)和環(huán)路（遠(yuǎn)低于自由空間的阻抗377Ω，此值為真空磁導(dǎo)率μ0和真空中的光速C0的乘積，也被稱為自由空間的本質(zhì)阻抗——譯注），因而Buck架構(gòu)DC/DC轉(zhuǎn)換器中主要的輻射源通常是磁場(chǎng)。
磁場(chǎng)輻射是由小型電流環(huán)中的高頻電流形成的。電流環(huán)所生成的高頻磁場(chǎng)會(huì)在離開環(huán)路大約0.16λ以后逐漸轉(zhuǎn)換為電磁場(chǎng)，由此形成的場(chǎng)強(qiáng)大約為 ：
舉例而言，一個(gè)1cm2的電流環(huán)，其中的電流為1mA，電流變化頻率為100MHz，則距離此電流環(huán)3m處的場(chǎng)強(qiáng)為4.4μV/m，或說是12.9dBμV。
下圖1顯示了一個(gè)流過1mA電流的1cm2電流環(huán)所形成的輻射強(qiáng)度與電流變化頻率之間的關(guān)系，圖中綠線是標(biāo)準(zhǔn)容許的3m距離上的輻射強(qiáng)度閾值。
由圖可見，由1mA電流在1cm2環(huán)路中所形成的輻射并不容易超出規(guī)格的限制?，F(xiàn)實(shí)中造成輻射超標(biāo)的原因常常是應(yīng)該極小化的環(huán)路變成了大的環(huán)路，或者是附加在線路上的導(dǎo)線形成了多余的輻射。這些大回路或?qū)Ь€所形成的天線效應(yīng)將在總的輻射中發(fā)揮主要的作用。
轉(zhuǎn)換器中的電流回路
Buck架構(gòu)DC/DC轉(zhuǎn)換器中存在兩個(gè)電流發(fā)生劇烈變化的主回路 ：
當(dāng)上橋MOSFET Q1導(dǎo)通的時(shí)候，電流從電源流出，經(jīng)Q1和L1后進(jìn)入輸出電容和負(fù)載，再經(jīng)地線回流至電源輸入端。在此過程中，電流中的交變成分會(huì)流過輸入電容和輸出電容。這里所說的電流路徑如圖2中的紅線所示，它被標(biāo)注為I1。
當(dāng)Q1截止以后，電感電流還會(huì)繼續(xù)保持原方向流動(dòng)，而同步整流開關(guān)MOSFET Q2將在此時(shí)導(dǎo)通，這時(shí)的電流經(jīng)Q2、L1、輸出電容流動(dòng)并經(jīng)地線回流至Q2，其回路如圖2中藍(lán)線所示，它被標(biāo)注為I2。
電流I1和I2都是不連續(xù)的，這意味著它們?cè)诎l(fā)生切換的時(shí)候都存在陡峭的上升沿和下降沿，這些陡峭的上升沿和下降沿具有極短的上升和下降時(shí)間，因而存在很高的電流變化速度dI/dt，其中就必然存在很多高頻成分。
當(dāng)進(jìn)行Buck轉(zhuǎn)換器的PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，A1區(qū)域的面積就應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)得盡可能地小。關(guān)于這一點(diǎn)，可以參考第7章的PCB布局設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)要點(diǎn)。
輸入和輸出的濾波處理
在理想狀況下，輸入、輸出電容對(duì)于Buck轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流來說都具有極低的阻抗。但在實(shí)際上，電容都存在ESR和ESL，它們都增加了電容的阻抗，并且導(dǎo)致上面出現(xiàn)額外的高頻電壓跌落。這種電壓跌落將在電源供應(yīng)線路上和負(fù)載連接電路上形成相應(yīng)的電流變化
為了降低輸入電容CIN造成的電壓跌落，可在靠近Buck IC的地方放置多種不同尺寸的低ESR的MLCC電容，例如可將1206封裝的2x10μF和0603或0402封裝的22nF~100nF電容結(jié)合起來使用。為了降低輸入回路的噪聲，強(qiáng)烈建議在輸入線上添加額外的LC濾波器。當(dāng)使用純電感作為L(zhǎng)2時(shí)，就有必要添加電解電容C3以抑制電源輸入端可能出現(xiàn)的振鈴信號(hào)，確保輸入電源的穩(wěn)定。
為了對(duì)輸出進(jìn)行濾波，也要使用多種不同尺寸的MLCC電容作為輸出電容Cout。小尺寸的0603或0402的22nF~100nF的電容可以很好地阻止源于開關(guān)切換節(jié)點(diǎn)的高頻噪聲經(jīng)由電感L1的寄生電容耦合到輸出端。額外增加的高頻磁珠可防止輸出回路變成有效的環(huán)形天線，但需要注意的是這方法可能使轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性和負(fù)載調(diào)整特性變差。假如應(yīng)用中的負(fù)載在這方面有嚴(yán)格要求，那就不要使用磁珠，可以直接將轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近負(fù)載，通過對(duì)銅箔的優(yōu)化布置使環(huán)路的面積達(dá)到最小化。
假如通過PCB布局和濾波設(shè)計(jì)的優(yōu)化仍然不能讓一個(gè)Buck轉(zhuǎn)換電路的輻射水平低于需要的水平，那就只能在降低轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換速度上想辦法，這對(duì)降低其輻射水平是很有幫助的。
為了理解這能導(dǎo)致多大程度的改進(jìn)，我們需要對(duì)不連續(xù)電流脈沖的高頻成分進(jìn)行一番探討。圖6左側(cè)顯示的是簡(jiǎn)化為梯形了的電流波形，其周期為TPERIOD，脈沖寬度為TW，脈沖上升/下降時(shí)間為TRISE。從頻域來看此信號(hào)，其中含有基頻成分和很多高次諧波成分，通過傅里葉分析可以知道這些高頻成分的幅度和脈沖寬度、上升/下降時(shí)間之間的關(guān)系，這種關(guān)系被表現(xiàn)在圖6的右側(cè)。
EMI輻射問題常常發(fā)生在50MHz~300MHz頻段。通過增加上升和下降時(shí)間可將fR的位置向低頻方向移動(dòng)，而更高頻率信號(hào)的強(qiáng)度將以40dB/dec的速度快速降低，從而改善其輻射狀況。在低頻段，較低的上升和下降速度所導(dǎo)致的改善是很有限的。
在自舉電路上增加串聯(lián)電阻
開關(guān)切換波形的上升時(shí)間取決于上橋MOSFET Q1的導(dǎo)通速度。Q1是受浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的，該驅(qū)動(dòng)器的供電來自于自舉電容Cboot。在集成化的Buck轉(zhuǎn)換器中，Cboot由內(nèi)部的穩(wěn)壓器進(jìn)行供電，其電壓通常為4V~5V。
在MOSFET外置的設(shè)計(jì)中，電阻可被串接到上橋MOSFET的柵極上，這就可以同時(shí)增加上橋的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間。
當(dāng)上橋MOSFET Q1被關(guān)斷的時(shí)候，電感電流會(huì)對(duì)Q1的寄生輸出電容進(jìn)行充電，同時(shí)對(duì)Q2的寄生輸出電容進(jìn)行放電，直至開關(guān)切換節(jié)點(diǎn)電位變得低于地電位并使Q2的體二極管導(dǎo)通。因此，下降時(shí)間基本上是由電感峰值電流和開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的總寄生電容所決定的。
圖8顯示出了一個(gè)常規(guī)設(shè)計(jì)中的Buck轉(zhuǎn)換器IC中的寄生元件。
RC緩沖抑制電路
添加RC緩沖電路可有效地抑制振鈴現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)造成開關(guān)切換損耗的增加。
RC緩沖電路應(yīng)當(dāng)放置在緊靠開關(guān)節(jié)點(diǎn)和功率地處。在使用外部MOSFET開關(guān)的Buck轉(zhuǎn)換器中，RC緩沖電路應(yīng)當(dāng)直接跨過下橋MOSFET的漏極和源極放置。圖10示范了RC緩沖電路的放置位置。
1. 在信號(hào)上升沿測(cè)量原始振鈴信號(hào)的頻率fRING。
2. 在開關(guān)節(jié)點(diǎn)和地之間增加一個(gè)小電容，這可讓振鈴信號(hào)的頻率得到降低。持續(xù)增加電容，直至振鈴信號(hào)的頻率降低到原始振鈴頻率的50%。
3. 降低到50%的振鈴信號(hào)頻率意味著總諧振電容的大小是原始電容量的4倍。因此，原始電容Cp的值便是新增電容量的1/3。
4. 這樣就能求得寄生電感Lp的值 ：
除了可以對(duì)諧振產(chǎn)生抑制，RC平滑抑制電路還可以輕微地降低開關(guān)切換波形上升和下降的速度。除此以外，對(duì)平滑抑制電容的充電和放電過程還會(huì)導(dǎo)致開關(guān)狀態(tài)變換期間出現(xiàn)額外的開關(guān)切換電流尖峰，這可在低頻區(qū)域引起新的EMI問題。
當(dāng)使用了RC平滑抑制電路以后，應(yīng)當(dāng)確保要對(duì)電路的總功率損失進(jìn)行檢查。轉(zhuǎn)換器的效率是必然會(huì)下降的，這在開關(guān)切換工作頻率很高和輸入電壓很高的時(shí)候表現(xiàn)尤甚。
RL緩沖抑制電路
一種不容易想到的抑制開關(guān)回路振鈴信號(hào)的方法是在諧振電路上增加一個(gè)串聯(lián)的RL緩沖抑制電路，這種做法如圖11所示。添加此電路的目的是要在諧振電路中引入少量的串聯(lián)阻抗，但卻足夠提供部分抑制作用?；陂_關(guān)切換電路的總阻抗總是很低的事實(shí)，抑制電阻Rs可以用得很小，大概是1Ω或是更小的量級(jí)。電感Ls的選擇依據(jù)是能在比諧振頻率低的頻段提供很低的阻抗，實(shí)際上就是要在低頻段上對(duì)抑制電阻提供短路作用。由于振鈴信號(hào)的頻率通?？偸呛芨?，需要使用的電感也就可以很小，大概就是幾個(gè)nH的量級(jí)，甚至可用幾個(gè)mm長(zhǎng)的PCB銅箔路徑代替，這樣做并不會(huì)導(dǎo)致明顯增加的環(huán)路面積。也有可能用很小的磁珠來替代這個(gè)電感，讓它和Rs并聯(lián)在一起。當(dāng)這么做的時(shí)候，這個(gè)磁珠應(yīng)在低于諧振頻率的低頻上具有很低的阻抗，同時(shí)還要具有足夠的電流負(fù)載能力，以便能夠承載輸入端的有效電流。
