低压Buck转换器EMI问题基础分析

时间：2021-11-23 11:28:00

要想排除开关模式电源转换器中的EMI题目会是一个很大的挑衅，由于此中含有不少高频成份。电子元件中的寄生成份经常饰演很首要的脚色，所以其体现经常与预期的大相径庭。本文针对高压Buck转换器工作中的EMI题目举行很根底的阐发，然后为这些题目的解决供应很有用的解决计划，异常拥有参考代价。

在上面所述的回路中，电流环I1和I2配合同享了自开关节点→电感→输入电容→地→Q2的源极这一段门路。I1和I2合成起来后就形成为了一个相对于陡峭、继续的锯齿状波形，因为此中不存在电流变迁率dI/dt极高的边际，其包括的高频成份就要少一些。

从电磁辐射的角度来看，图3中存在暗影的A1地区是存在高电流变迁率dI/dt的回路部份，这个回路将天生至多的高频成份，因而在Buck转换器的EMI设想中是需要被重点思量的最关头部份。图中A2地区的电流变迁率dI/dt就没有A1地区的高，于是天生的高频噪声也就比较少。

当举行Buck转换器的PCB结构设计时，A1地区的面积就应该被设想得尽量地小。对于这一点，能够参考第7章的PCB结构设想实战要点。

4. 输出和输入的滤波处置

在现实状态下，输出、输入电容关于Buck转换器的开关电流来讲都拥有极低的阻抗。但在实际上，电容都存在ESR和ESL，它们都增加了电容的阻抗，而且致使下面涌现额定的高频电压跌落。这类电压跌落将在电源提供线路上和负载连贯电路上构成响应的电流变迁，见图4。

因为Buck转换器输出电流的不继续特点和实践为转换器供电的电源线平日都很长的缘故，输出回路A3所造成的辐射也多是很可观的，而且可致使超越规格的传导辐射（在150kHz~30MHz频段），不克不及经由过程电磁兼容（EMC）的传导测试检讨。

为了下降输出电容CIN造成的电压跌落，可在接近Buck IC的处所搁置多种分歧尺寸的低ESR的MLCC电容，比方可将1206封装的2×10?F和0603或0402封装的22nF~100nF电容连系起来应用。为了下降输出回路的噪声，猛烈倡议在输出线上增添额定的LC滤波器。当应用纯电感作为L2时，就有需要增添电解电容C3以按捺电源输出端大概涌现的振铃旌旗灯号，确保输出电源的稳固。

为了对输入举行滤波，也要应用多种分歧尺寸的MLCC电容作为输入电容Cout。小尺寸的0603或0402的22nF~100nF的电容能够很好地阻拦源于开关切换节点的高频噪声经过电感L1的寄生电容耦合到输入端。额定增添的高频磁珠可防止输入回路酿成无效的环形天线，但需求注重的是这要领可能使转换器的负载瞬态呼应特点和负载调解特点变差。如果使用中的负载在这方面有严峻请求，那就不要应用磁珠，能够间接将转换器尽量地接近负载，经由过程对铜箔的优化安置使环路的面积达到最小化。

5. 下降转换器的开关切换速率

如果经由过程PCB结构和滤波设想的优化依然不能让一个Buck转换电路的辐射程度低于需求的程度，那就只能在下降转换器的开关切换速度上想办法，这对下降其辐射程度是颇有赞助的。

为了懂得这能致使多大水平的改良，咱们需要对不继续电流脉冲的高频成份举行一番探究。图6左边表现的是简化为梯形了的电流波形，其周期为TPERIOD，脉冲宽度为TW，脉冲回升/降低时候为TRISE。从频域来看此旌旗灯号，此中含有基频成份和很多高次谐波成份，经由过程傅里叶阐发能够晓得这些高频成份的幅度和脉冲宽度、回升/降低时候之间的瓜葛，这类瓜葛被表当初图6的右边。

图6中频次值是基于一个拥有800kHz频次的开关旌旗灯号而得出旌旗灯号的脉冲宽度为320ns拥有10ns回升降低时候。

EMI辐射题目经常发生在50MHz~300MHz频段经由过程增添回升降低时候可将fR地位向低频偏向挪移，而更高频次旌旗灯号的强度将以40dB/dec速率倏地下降，从而改良其辐射状态。在低频段，较低回升降低速率致使改良无限的。

在自举电路上增添串连电阻

开关切换波形回升时候取决于上桥MOSFET Q1速率。Q1是受浮动驱动器驱动的，该驱动器的供电来自于自举电容Cboot。在集成化的Buck转换器中，Cboot外部的稳压器举行供电，其电压平日为4V~5V。见图左边。

在MOSFET外置设想中，电阻可被串接到上桥MOSFET的栅极上，这就能够同时加之时候和截止时候。

当上桥MOSFET Q1被关断时间，电感电流会对Q1的寄生输入电容举行充电，同时对Q2的寄生输入电容举行放电，直至开关切换节点电位变得低于地电位并使Q2的体二极管是以降低时候基本上是由电感峰值电流和开关节点上的总寄生电容抉择的。

这些寄生电容是由MOSFET的Coss相对基底之间的电容配合组成此外另有寄生电感存在于从IC引脚到晶圆内核之间连贯线上，这些寄生元件和PCB结构致使的寄生电感输出滤波电容上的ESL一路致使开关切换波形上的高频振铃旌旗灯号。当MOSFET Q1导通时，开关节点旌旗灯号回升沿的振铃旌旗灯号首要就由Q2的Coss和MOFET开关切换门路上的总寄生电感（LpVIN + LpGND+ LpLAYOUT + ESLCIN致使。当MOFET Q1截止时，开关节点旌旗灯号降低沿的振铃旌旗灯号主要由Q1的Coss和下桥MOSFET源极到地之间的寄生电感（LpGND致使。

RC缓冲按捺电路

RC缓冲电路应该搁置在紧靠开关节点和功率地处应用内部MOSFET开关的Buck转换器中，RC缓冲电路应该间接跨过下桥MOSFET搁置。图10树模了RC缓冲电路搁置地位。

缓冲电阻Rs的作用是对寄生LC振荡电路的振荡进程施加足够按捺才能，其取值取决于意欲施加按捺强度和L、C寄生元件的参数，可由下式予以肯定：

在开关节点和地之间增添一个小电容可以让振铃旌旗灯号频次失掉下降继续增添电容，直至振铃旌旗灯号频次降低到原始振铃频次的50%。

降低到50%的振铃旌旗灯号频次意味着总谐振电容巨细是原始电容量的4倍是以，原始电容Cp就是新增电容量的1/3。

RC缓冲电路串连电容Cs需求足够大，以便按捺电阻能在电路谐振时期表现出稳固的谐振按捺结果假如这个电容的值太大，它在每一个开关周期中的充电和放电进程就会致使过大的功率损耗以是，Cs的取值通常以电路寄生电容的值的3~4倍为宜。

除了可以对谐振发生按捺，RC腻滑按捺电路能够细微下降开关切换波形回升降低速率。除此之外腻滑按捺电容的充电和放电进程还会致使开关状况变更时期涌现额定的开关切换电流尖峰，这可在低频地区惹起新的EMI题目。

当使用了RC腻滑按捺电路当前应该确保要对电路的总功率丧失举行查抄。转换器服从是必然会降低的，这在开关切换事情频次很高输出电压很高时间体现尤甚。

RL缓冲按捺电路

一种不易想到按捺开关回路振铃旌旗灯号要领是在谐振电路上增添一个串连的RL缓冲按捺电路这类做法如图11所示增添此电路目标是要在谐振电路中引入大量串连阻抗，但却足够供应部份按捺感化。基于开关切换电路的总阻抗老是很低究竟按捺电阻Rs能够用得很小，大概是1Ω或是更小的量级。电感Ls抉择根据是能在比谐振频次低的频段供应很低的阻抗，实际上便是要在低频段按捺电阻供应短路感化因为振铃旌旗灯号频次平日老是很高需求应用的电感也就能够很小可能便是几个nH的量级以至可用几个妹妹长的PCB铜箔门路接替如许做并不会致使显然增添的环路面积。也有可能用很小替换这个电感，让它和Rs并联在一起。当这么做的时间，这个磁珠应在低于谐振频次的低频拥有很低的阻抗，同时还要拥有足够的电流负载才能，以便可以或许承载输出无效电流。

RL缓冲按捺电路最佳搁置在紧靠功率输出节点上。RL按捺电路带来的一个缺乏是它会在高频地区为开关回路引入一个阻抗，当开关状况产生倏地变更时间，切换中的电流脉冲会在电阻Rs构成一个短时的电压毛刺，从而在功率输出节点涌现一个小小的毛刺如果输出端的电压毛刺使电压变得过高过低，功率级的开关切换或IC事情就会遭到影响是以，当加入了RL缓冲按捺电路时间必定要在最大负载状态下输出节点上的电压毛刺情形举行查抄防止由此大概带来题目产生。

6. 实战案例

本章树模在Buck转换器的EMI设想分歧要领致使的影响树模应用的IC是RT7297CHZSP，一款800kHz事情频次、3A输入才能的电流模式Buck转换器接纳PSOP-8封装。测试中的电路事情在12V输出输入为3.3V/3A，测试所用电路表现在图12中。

测试所用的板子有两个版本，一个拥有残缺的地铜箔层，一个没有配置了多种可选设置，如LC输出滤波器分歧输出电容搁置地位，可选的Rboot、RC缓冲电路输入端LC滤波器拥有这些分歧选项的PCB设想表现在图13中。

测试设置装备摆设设置如图14所示。

当被测试工具被放在试验桌上时，其PCB上的电流回路和导线就会四周环境辐射出高频能量，这些辐射旌旗灯号又会本人找到门路返回到测试工具上，并以高频共模电流方式出现在供电线上。这些供电线上的高频共模电流会和板上的电流连系在一起，可被用着辐射状态指导旌旗灯号。

转换器的电源输出来自于三只串连的锂离子电池，电压大约为12V，这就使它们试验室里其余设置装备摆设没有间接联络。一只电解电容跨接在电池的引线上，这可排除电池电感大概致使的谐振题目。

转换器的负载是一只并联了10?F MLCC电容的1Ω电阻，这可为供应3A的负载，同时对高频旌旗灯号的阻抗又是极低的。

示波器寓目测量到的高频电流旌旗灯号，它能显示出转换器开关切换时期的高频旌旗灯号关于这类重复涌现的开关切换旌旗灯号而言应用示波器的FFT性能举行计较并看到丈量电流种种频次成份大概这类要领尽管不如频谱分析仪那末正确，但仍然不失为一种异常有用对象，可在简略电路阐发供应判别根据。

图16中的PCB结构显现了一种很差输出电容搁置要领，这将在切换回路中引入很大的寄生电感结构另有额定的间隙增添回路的面积。）

从图17右边表现的波形能够看到，共模电流是出奇地大并且在很宽全部频段均可看到。

大回路上的电流构成的高频磁场会在地线天生涡旋电流，由涡旋电流构成的磁场与原磁场偏向相同的，从而能够对消一部分原磁场。地线层离回路对消结果就越好。

开关切换过程当中的过冲和振铃旌旗灯号的幅度都降低了约莫50%，辐射的强度下降了约莫10dB，频带宽度扩大到了300MHz。

上述试验首要的结论是确认了更好搁置CIN能够改良开关切换波形上的过冲和振铃旌旗灯号的幅度，还能下降高频辐射。

在RT7297CHZSP中，芯片底部的散热焊盘是没有和晶圆内核连贯在一起的，所以在PCB结构中将铜箔和散热连贯在一起并不能收缩CIN回路。它的上桥MOSFET和下桥MOSFET过量根邦定线连接到VIN和GND端子于是能够经由过程这两个端子构成最短的回路。

图22表现出了电容搁置要领当初的CIN回路经由过程IC的引脚外部的邦定线和0603规格的电容成为了。

为了看清旌旗灯号，测试天线也不得再也不接近PCB一些效果表现高频噪声曾经消逝，但在约莫25MHz处所涌现了一个大的低频尖峰。

解决这个题目设施是在10nF小电容中间并联一个拥有稍高ESR的22?F 1206电容。

采用了上述计划当前，单面板上的开关切换波形曾经完整消逝，经环形天线检测到的辐射噪声也很低，它在经由FFT运算失掉的波形简直都在本底噪声程度上。

在电源输出线上滤波

电源输出线上的高频电流由差模电流和共模电流组成关于共模电流能够在PCB结构设计时拥有高电流变迁率dI/dt的电流环最小化予以消减。而差模电流则有分歧起源咱们能够如图27那样将正、负两条线分歧偏向穿过克己的电流探头的

正如从图29中看到的那样增添磁珠 + 电容组成的滤波器可滤除除800kHz基波之外的所有高频成份增添1?H电感 + 电容组成的滤波器排除包括基波在内的所有差模噪声。

在此试验咱们应用双面PCB输出电容搁置地位如上面的试验同样如许设置能够输出回路中引入比拟显然的辐射。

为了作为参照，首先在没有Rboot和RC缓冲按捺电路的情况下输出线上的共模电流举行测试。

开关切换波形显示出5V旌旗灯号的振荡频次为238MHz输出线上的共模电流显示出显然的高频噪声。参考图33。

RT7297C使用了相对于比较小的上桥MOSFET (110m于是通过给自举电路串连小电阻要领带来的影响也很小试验发明纵然将Rboot加到20不克不及看到很明显的波形转变，下图所示的示波器图形将电阻为0Ω时的波形（灰色）和添加了33串连电阻时的波形进行了比照能够看出过旌旗灯号幅度降到了3V这类转变对共模电流的影响也很小这类简略单纯丈量简直看不进去。