消除Buck转换器中的EMI

消除Buck DCDC中的EMI问题

概述

在设计开关模式转换器(DCDC)的时候,电磁兼容问题通常总是要在设计完成以后的测试阶段才会遇到。假如没有在设计的第一阶段就考虑到电磁兼容性问题,要在最后的环节再来降低其影响就会很困难,花费也会很高。所以,为了确保产品设计过程顺畅无阻,能够得到最优化的设计,最好的做法是在设计一开始的时候就开始考虑这个问题。在所有要考虑的因素中,元件选择和 PCB 布局设计是获得最佳 EMI 性能的关键。

EMI根源

造成 EMI 问题的辐射源有两类:交变电场(高阻),交变磁场(低阻)。非隔离的 DC/DC 转换器具有阻抗很低的节点和环路(远低于自由空间的阻抗 377Ω,此值为真空磁导率 µ0 和真空中的光速 C0 的乘积,也被称为自由空间的本质阻抗——译注),因而 Buck 架构 DC/DC 转换器中主要的辐射源通常是磁场。
磁场辐射是由小型电流环中的高频电流形成的。电流环所生成的高频磁场会在离开环路大约 0.16λ 以后逐渐转换为电磁场,由此形成的场强大约为 :
场强
其中,f 是信号的频率,单位为 Hz;A 是电流环路的面积,单位为 m
^2;I 是电流环中的电流幅值,单位为A;R 是测量点距离环路的距离,单位为 m。举例而言,一个 1cm^2的电流环,其中的电流为 1mA,电流变化频率为 100MHz,则距离此电流环 3m 处的场强为 4.4µV/m,或说是 12.9dBµV。

转换器中的电流回路

Buck 架构 DC/DC 转换器中存在两个电流发生剧烈变化的主回路 :
当上桥 MOSFET Q1 导通的时候,电流从电源流出,经 Q1 和 L1 后进入输出电容和负载,再经地线回流至电源输入端。在此过程中,电流中的交变成分会流过输入电容和输出电容。这里所说的电流路径如图 2中的红线所示,它被标注为 I1。
当 Q1 截止以后,电感电流还会继续保持原方向流动,而同步整流开关 MOSFET Q2 将在此时导通,这时的电流经 Q2、L1、输出电容流动并经地线回流至 Q2,其回路如图 2 中蓝线所示,它被标注为 I2。
电流 I1 和 I2 都是不连续的,这意味着它们在发生切换的时候都存在陡峭的上升沿和下降沿,这些陡峭的上升沿和下降沿具有极短的上升和下降时间,因而存在很高的电流变化速度 dI/dt,其中就必然存在很多高频成分。

Buck转换中的电流环
消除Buck转换器中的EMI_第1张图片

输入和输出滤波处理

在理想状况下,输入、输出电容对于 Buck 转换器的开关电流来说都具有极低的阻抗。但在实际上,电容都存在 ESR 和 ESL,它们都增加了电容的阻抗,并且导致上面出现额外的高频电压跌落。这种电压跌落将在电源供应线路上和负载连接电路上形成相应的电流变化。
消除Buck转换器中的EMI_第2张图片

输入

为了降低输入电容 CIN 造成的电压跌落,可在靠近 Buck IC 的地方放置多种不同尺寸的低 ESR 的 MLCC电容,例如可将 1206 封装的 2x10µF 和 0603 或 0402 封装的 22nF~100nF 电容结合起来使用。为了降低输入回路的噪声,强烈建议在输入线上添加额外的 LC 滤波器。当使用纯电感作为 L2 时,就有必要添加电解电容 C3 以抑制电源输入端可能出现的振铃信号,确保输入电源的稳定。

输出

为了对输出进行滤波,也要使用多种不同尺寸的 MLCC 电容作为输出电容 Cout。小尺寸的 0603 或 0402的 22nF~100nF 的电容可以很好地阻止源于开关切换节点的高频噪声经由电感 L1 的寄生电容耦合到输出端。额外增加的高频磁珠可防止输出回路变成有效的环形天线,但需要注意的是这方法可能使转换器的负载瞬态响应特性和负载调整特性变差。假如应用中的负载在这方面有严格要求,那就不要使用磁珠,可以直接将转换器尽可能地靠近负载,通过对铜箔的优化布置使环路的面积达到最小化。
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自举电路处理

开关切换波形的上升时间取决于上桥 MOSFET Q1 的导通速度。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 由内部的稳压器进行供电,其电压通常为 4V~5V。
通过降低上桥 MOSFET 开关的导通速度可使 Buck 转换器开关波形和电流脉冲的上升时间增加,但是较低的 MOSFET 导通速度也将增加开关损耗,从而导致效率的下降。
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RC缓冲抑制电路

添加 RC 缓冲电路可有效地抑制振铃现象,同时会造成开关切换损耗的增加。
RC 缓冲电路应当放置在紧靠开关节点和功率地处。在使用外部 MOSFET 开关的 Buck 转换器中,RC 缓冲电路应当直接跨过下桥 MOSFET 的漏极和源极放置。
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一分看,三分悟,六分靠动手,大家看懂理解之后,可以实际测试下看看上面说的对不对。

文章转载自Richtek Technology

[Richtek Technology]是中国台湾的一家半导体产业公司,产品种类丰富,性能也不错。

2019^05 于深圳。

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