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01
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首先從dcdc的拓?fù)溟_(kāi)始，一般DCDC的拓?fù)漕?lèi)型會(huì)有BUCK，BOOST，BUCK/BOOST，BOOST/BUCK等，它們是開(kāi)關(guān)式DCDC，利用電容和電感儲(chǔ)能的特性,通過(guò)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作,將電能儲(chǔ)存在電容和電感里,當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，電能釋放給負(fù)載。
若進(jìn)一步細(xì)分DCDC的種類(lèi)，以激勵(lì)方式分為自激式和他激式；以調(diào)制方式可以分為脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制；以隔離方式分為隔離式(反激，LLC)與非隔離式；以承受電應(yīng)力分為硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)(軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)的最大區(qū)別就是電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力)；以開(kāi)關(guān)同步方式分為同步開(kāi)關(guān)和異步開(kāi)關(guān)；以?xún)?chǔ)能電感連接方式分為串聯(lián)型和并聯(lián)型。
一：BUCK拓?fù)?/p>
BUCK工作原理之開(kāi)通環(huán)路：
上圖的紅色部分就是開(kāi)通環(huán)路，MOS管導(dǎo)通時(shí)，輸入源電流流經(jīng)MOS管對(duì)電感進(jìn)行儲(chǔ)能，流經(jīng)電感電流開(kāi)始上升，同時(shí)有一部分能量傳遞到輸出端，此時(shí)二極管承受反向電壓而不導(dǎo)通。
BUCK工作原理之續(xù)流環(huán)路：
上圖藍(lán)色部分就是續(xù)流環(huán)路，MOS管關(guān)斷時(shí)，輸入源不再提供能量，電感產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓，使得二極管導(dǎo)通，電感儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管形成的續(xù)流回路傳遞到輸出端，流經(jīng)電感電流開(kāi)始下降。 在DCDC中遇到的EMC問(wèn)題中最多的就是開(kāi)通環(huán)路和續(xù)流環(huán)路，有時(shí)遇到一個(gè)DCDC的EMC的問(wèn)題時(shí)給二極管串聯(lián)一個(gè)磁珠就好了，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)振鈴，那么這個(gè)振鈴如何解決，這兩種情況就跟拓?fù)涞沫h(huán)路有關(guān)系，接下來(lái)通過(guò)電流分析說(shuō)明EMC問(wèn)題產(chǎn)生的原因。
BUCK工作原理之電流分析：
由上圖可知，BUCK的輸入電流是不連續(xù)的，輸出電流是連續(xù)的，在MOS管關(guān)斷之后，電感左側(cè)就沒(méi)有電流輸入，此時(shí)所有電流都往輸出端流了。再看波形，第一個(gè)是電感電流的波形，因?yàn)樨?fù)載的電流波形肯定是連續(xù)的，而MOS管的電流和二極管的電流就是一半有一半沒(méi)有。 EMC問(wèn)題：MOS管在開(kāi)通和關(guān)斷的瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰，取決于開(kāi)關(guān)頻率的高低，SW是方波電壓波形，它是dv/dt電壓變化率和di/dt電流變化率的地方，也就是EMC問(wèn)題產(chǎn)生的地方，另外就是自激振蕩。 EMC問(wèn)題：二極管的噪聲來(lái)源于它的反向恢復(fù)。
二：BOOST拓?fù)?/p>
BOOST工作原理之開(kāi)通環(huán)路：
上圖的紅色部分就是開(kāi)通環(huán)路，MOS管導(dǎo)通時(shí)，電流流經(jīng)MOS管對(duì)電感進(jìn)行儲(chǔ)能，流經(jīng)電感電流開(kāi)始上升，此時(shí)SW節(jié)點(diǎn)電壓為MOS管壓降，二極管承受反向電壓而不導(dǎo)通，能量不傳遞到輸出端，輸出端能量由電容提供。
BOOST工作原理之續(xù)流環(huán)路：
上圖藍(lán)色部分就是續(xù)流環(huán)路，MOS管關(guān)斷時(shí)，電感儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管傳遞到輸出端，同時(shí)直流輸入源也對(duì)負(fù)載提供能量，流經(jīng)電感電流開(kāi)始下降。
BOOST工作原理之電流分析：
BOOST的電流環(huán)境中，有SW的節(jié)點(diǎn)，二極管是升壓用的，存在反向恢復(fù)的問(wèn)題，mos管也一樣，存在開(kāi)關(guān)噪聲，它跟buck最大的不同就是它的輸入電流連續(xù)而輸出電流不連續(xù)，因?yàn)殡姼幸谐掷m(xù)的電流流過(guò)，實(shí)際上EMC問(wèn)題和BUCK差不多，就不多贅述了。
三：BUCK/BOOST拓?fù)?/p>
BUCK/BOOST工作原理之降壓功能：
Q1、Q3管導(dǎo)通, Q2、Q4管關(guān)斷,完成Buck電路開(kāi)通環(huán)路; Q2、 Q3管導(dǎo)通，Q1、Q4管關(guān)斷完成Buck電路續(xù)流環(huán)路。
BUCK/BOOST工作原理之升壓功能：
Q1、Q4管導(dǎo)通，Q2、Q3管關(guān)斷，完成Boost電路開(kāi)通環(huán)路；Q1、Q3管導(dǎo)通，Q2、Q4管關(guān)斷完成Boost電路續(xù)流環(huán)路。另外，此電路也可以反過(guò)來(lái)用。
BUCK/BOOST工作原理之電流分析：
此拓?fù)涞碾娏髂Ｊ揭埠蚥uck跟boost的差不多，就不多贅述了。
02
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DC-DC EMC問(wèn)題產(chǎn)生原因分析
一：電感(電感磁場(chǎng)空間輻射，耦合電感磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流效應(yīng))
通常使用幾種BUCK電感：磁屏蔽電感和非磁屏蔽電感和環(huán)形電感和工字電感，不同的電感產(chǎn)生的效果是不一樣的。 環(huán)形電感：它的磁路是閉合的，沒(méi)有磁場(chǎng)泄露在空氣中，漏磁相對(duì)較小。 工字電感：它的磁場(chǎng)變化形成閉合回路，是非磁屏蔽電感，有很多的磁場(chǎng)落到空氣中，造成磁場(chǎng)耦合。 磁屏蔽電感：無(wú)法泄露磁場(chǎng)。 非磁屏蔽電感：會(huì)泄露磁場(chǎng)。 EMC問(wèn)題：電感磁場(chǎng)輻射，以工字型非磁屏蔽電感為例，當(dāng)脈動(dòng)電流流過(guò)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射，低頻磁場(chǎng)在附近的信號(hào)回路、磁性元件(共模電感、差模電感)產(chǎn)生感應(yīng)電壓與感應(yīng)電流,造成信號(hào)干擾、或者引發(fā)其他問(wèn)題；低頻磁場(chǎng)穿過(guò)附近金屬平面時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，若不能有效消除渦流噪聲，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射問(wèn)題。 解決方法：如果說(shuō)預(yù)算充足可以直接使用磁屏蔽電感，這樣可以省略這部分問(wèn)題。
EMC問(wèn)題：如果共模電感靠近電源電感太近了，就會(huì)導(dǎo)致互感的問(wèn)題。 EMC問(wèn)題：雙線(xiàn)分繞的和雙線(xiàn)并繞的共模電感出現(xiàn)的問(wèn)題不一樣，在各種資料中都會(huì)說(shuō)電感要雙線(xiàn)并繞，那為什么要雙線(xiàn)并繞呢，就是因?yàn)殡p線(xiàn)并繞的時(shí)候兩根線(xiàn)感應(yīng)到的能量是一樣的，相減去差不多就抵消掉了。
EMC問(wèn)題：接下來(lái)是渦流，當(dāng)電感靠近金屬的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生渦流，如上圖的顯示器的電感太靠近金屬支架，就會(huì)產(chǎn)生渦流，那這個(gè)金屬支架就成了一個(gè)天線(xiàn)。 解決方法：第一就是把這個(gè)電感換成屏蔽電感，第二就是金屬支架接地，讓它產(chǎn)生的渦流能量回到原點(diǎn)，這個(gè)環(huán)路也保持最小。
二：開(kāi)關(guān)噪聲(MOS管開(kāi)關(guān)噪聲，二極管續(xù)流開(kāi)關(guān)噪聲)和寄生參數(shù)(功率器件寄生參數(shù)，PCB寄生參數(shù)，器件+PCB寄生參數(shù)，結(jié)構(gòu)裝配寄生參數(shù))
EMC問(wèn)題：開(kāi)關(guān)噪聲跟輻射的關(guān)系，功率器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，di/dt環(huán)路會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，dv/dt節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)；高頻電流環(huán)路和高頻開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)分別產(chǎn)生交變磁場(chǎng)與交變電場(chǎng)，從而引發(fā)嚴(yán)重的空間輻射問(wèn)題。
EMC問(wèn)題：由下圖可知，開(kāi)關(guān)波形的SW信號(hào)振蕩導(dǎo)致有振鈴產(chǎn)生，這個(gè)電壓會(huì)很高，甚至高于MOS管的電壓應(yīng)力時(shí)會(huì)擊穿MOS管(二極管同理)，燒壞整個(gè)電路。那么這個(gè)振鈴是怎么產(chǎn)生的呢，由上右圖可以看到，如果將此波形展開(kāi)來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)220M頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就是振鈴，接下來(lái)討論它如何產(chǎn)生的。
振鈴的產(chǎn)生：MOS管開(kāi)通時(shí),續(xù)流二極管寄生電容CB3被充電,寄生電感LB3, LB4積蓄能量,當(dāng)SW動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的電壓等于輸入電壓時(shí)，積累在LB3、LB4中的能量與CB3電容產(chǎn)生LC串聯(lián)諧振，從而產(chǎn)生上沖振鈴干擾，因此可以總結(jié)出來(lái)上沖振鈴實(shí)際上是續(xù)流二極管產(chǎn)生的。
振鈴的產(chǎn)生：MOS管關(guān)斷時(shí),續(xù)流二極管導(dǎo)通,電感中會(huì)有電流持續(xù)流過(guò),開(kāi)關(guān)MOS管寄生電容CB1被充電,續(xù)流二極管寄生電容CB3放電,當(dāng)輸出電壓SSW動(dòng)點(diǎn)電壓時(shí),開(kāi)關(guān)MOS管的寄生電容CB1停止充電,儲(chǔ)存在寄生電感LB3、LB4的能量與CB1組成LC串聯(lián)諧振,產(chǎn)生下沖振鈴噪聲干擾，因此可以總結(jié)出來(lái)下沖振鈴是MOS管的寄生電容產(chǎn)生的。
由上可總結(jié)出： EMC問(wèn)題：上沖振鈴跟下沖振鈴?fù)瑫r(shí)存在時(shí)就說(shuō)明環(huán)路有問(wèn)題，PCB布線(xiàn)出了問(wèn)題。 解決方法：更換了一個(gè)MOS管或二極管甚至串聯(lián)一個(gè)磁珠之后寄生振蕩有所改變，就說(shuō)明寄生電容或寄生電感改變了，實(shí)際上寄生振蕩的頻率也改變了。但如果說(shuō)串聯(lián)了一個(gè)磁珠，就會(huì)帶來(lái)一個(gè)新的電壓應(yīng)力的問(wèn)題和走線(xiàn)的問(wèn)題。 由下左圖所示，BOOST二極管的走線(xiàn)太長(zhǎng)了，導(dǎo)致一個(gè)很?chē)?yán)重的寄生振蕩波形，而優(yōu)化后由上右圖所示，可以發(fā)現(xiàn)振蕩減輕了不少，二極管連接了一個(gè)電容，而電容靠近二極管的引腳，此時(shí)二極管到電容的導(dǎo)線(xiàn)的寄生振蕩就基本可以被抵消掉。 可以看到，能用布線(xiàn)避免的問(wèn)題就盡量用布線(xiàn)避免，如果加了吸收，引來(lái)了紋波的問(wèn)題；如果加了磁珠，就會(huì)引來(lái)應(yīng)力的問(wèn)題。
寄生振蕩產(chǎn)生原因：PCB寄生電感降低高頻旁路效果，產(chǎn)生寄生振蕩；功率器件寄生電容提供高頻電流耦合路徑，產(chǎn)生寄生振蕩；PCB寄生電容引發(fā)近場(chǎng)耦合；高頻旁路電容與PCB寄生電感引發(fā)寄生振蕩。 寄生振蕩是高頻輻射，高頻噪聲產(chǎn)生的主要因素，同時(shí)寄生振蕩可以改變寄生電感和寄生電容。
對(duì)于寄生參數(shù)的影響，由于寄生參數(shù)太復(fù)雜，各個(gè)元件(二極管，mos管，pcb)都有寄生參數(shù)，還有結(jié)構(gòu)的分布參數(shù)，糅合在一起就非常的困難。
三：電流環(huán)路(開(kāi)通環(huán)路，關(guān)斷環(huán)路，主功率環(huán)路，高頻環(huán)路)
高頻電路環(huán)路形成的磁場(chǎng)大小取決于環(huán)路面積和電流大小，高頻電流環(huán)路面積越小，磁場(chǎng)對(duì)消效果就越好；反之，高頻電流環(huán)路面積越大，磁場(chǎng)對(duì)消效果就越差，空間輻射就越強(qiáng)。 所有的教科書(shū)都會(huì)說(shuō)要保持電流環(huán)路最小，為什么呢，對(duì)于一個(gè)電路而言有正和負(fù)兩個(gè)線(xiàn)，一個(gè)出一個(gè)回，電流方向是完全相反的，此時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)就可以完全抵消，就不會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生干擾讓環(huán)路以外沒(méi)有能量，如果讓環(huán)路最小，就可以保證這個(gè)事情。環(huán)路越長(zhǎng)意味著走線(xiàn)越長(zhǎng)，就會(huì)帶來(lái)寄生電感的影響，就會(huì)產(chǎn)生寄生振蕩，寄生振蕩的效果是很不理想的，如果開(kāi)關(guān)芯片工作在200K的頻率下，就可能出現(xiàn)200M的狀況。環(huán)路最小的第二個(gè)好處就是可以避免寄生振蕩的出現(xiàn)。
我們要保證環(huán)路最小，就要知道環(huán)路是怎么走的，還有就是怎么做才能讓環(huán)路保持最小，接下來(lái)分析下圖案例。 案例一：如下圖，這是一個(gè)dcdc的濾波電容，在實(shí)際的運(yùn)用中，就會(huì)就地打過(guò)孔接地，如下左圖所示，問(wèn)題出在過(guò)孔到底層并不能按照我們預(yù)期的正常工作，由左圖所示，這樣打過(guò)孔接地相當(dāng)于讓GND繞了一圈回來(lái)接地，讓環(huán)路增大了不少，而將電容的位置改成右圖那樣，此時(shí)這個(gè)電容的接地點(diǎn)就是芯片的參考地，此時(shí)它的環(huán)路是唯一的，直接從頂層回到GND的環(huán)路，由于過(guò)孔存在寄生電感，那么對(duì)于高頻來(lái)說(shuō)，寄生電感會(huì)選擇這條最小的路徑回去，既可以直接接地，還可以避免不必要的環(huán)路存在。然后看第二個(gè)案例。
案例二：如下圖，這是一個(gè)boost，boost的輸出有個(gè)二極管，然后再經(jīng)過(guò)電容，那這個(gè)電容的接地方式，就應(yīng)該接到MOS管的GND，這樣的話(huà)電容的升壓環(huán)路是最小的，上左圖的輸出電容是直接接到底層的GND，再?gòu)牡讓踊氐叫酒@樣的話(huà)導(dǎo)致環(huán)路過(guò)大，導(dǎo)致低頻段的輻射很?chē)?yán)重，如下左圖所示，若改成右圖那樣，讓電容從頂層接地，可以看到輻射變輕微了很多。
四：反饋(反饋電路設(shè)計(jì)，反饋環(huán)路)
反饋信號(hào)是根據(jù)負(fù)載輕重反饋給芯片內(nèi)部運(yùn)放，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)控制的信息窗口；反饋信號(hào)本身工作不穩(wěn)定，反饋給芯片的信息就是錯(cuò)誤的，會(huì)導(dǎo)致芯片誤調(diào)整，引起輸出電壓的跌落或者升高，后端用電設(shè)備會(huì)因電壓波動(dòng)出現(xiàn)工作狀態(tài)異常，甚至損壞。
反饋電阻的取值：
目前的DCDC電源模塊采用電流反饋比較多，加入一個(gè)微弱的電流流過(guò)一個(gè)很大的電阻，就會(huì)很容易產(chǎn)生電壓，很容易檢測(cè)到DCDC輸出電壓的變換，此時(shí)就有一個(gè)誤區(qū)，那就是以為電阻越大，電流越小，電壓變化越明顯，反饋也就越靈敏，但如果電阻越大，就意味著跌落的電壓也就越多，電壓波動(dòng)的時(shí)候，就導(dǎo)致電阻兩端的電壓就不太穩(wěn)定，而電阻越小，跟DC輸出的電位差就越小，也就越穩(wěn)定，但如果電阻越小呢，就會(huì)帶來(lái)反饋的回應(yīng)越遲鈍的問(wèn)題。綜上，電阻需要折中取值，一般使用k級(jí)或者10k級(jí)別的，不要用100k級(jí)的，100k級(jí)的會(huì)很容易偏離。
反饋信號(hào)的穩(wěn)定性：
影響反饋信號(hào)穩(wěn)定性的因素，分為反饋信號(hào)電路設(shè)計(jì)和反饋信號(hào)PCB設(shè)計(jì)。 反饋電路設(shè)計(jì)：最重要的就是分壓電阻參數(shù)的設(shè)計(jì)，然后是前饋電容補(bǔ)償，在分壓電阻的上偏置電阻上面加個(gè)電容前饋補(bǔ)償或在下偏置電阻上加個(gè)電容，起到補(bǔ)償或?yàn)V波的效果。 反饋信號(hào)PCB設(shè)計(jì)：第一是反饋的電從哪里取到，有時(shí)如果從濾波電容之前取，反饋本身就是有雜訊，所以反饋一定要在濾波電容之后取。第二是反饋兩側(cè)要加地線(xiàn)進(jìn)行屏蔽，如果旁邊走了一個(gè)電源或是其他的信號(hào)，那么就肯定會(huì)發(fā)生串?dāng)_。第三是反饋信號(hào)要采用差分布線(xiàn)處理，第四是環(huán)路面積要小，反饋線(xiàn)要盡量短，若反饋線(xiàn)拉得很長(zhǎng)，就很容易收到外界信號(hào)的干擾，并且反饋線(xiàn)的影響也會(huì)很大。第五是反饋信號(hào)要遠(yuǎn)離干擾源，比如大電流的，強(qiáng)信號(hào)的，有電感的存在的。
五：開(kāi)啟控制信號(hào)(EN腳開(kāi)啟電壓設(shè)置，EN腳控制信號(hào)布線(xiàn))
很多的芯片都有開(kāi)啟和關(guān)閉的動(dòng)作，這就是控制信號(hào)，EN腳是控制DCDC芯片開(kāi)關(guān)控制引腳，其控制電平的穩(wěn)定是DCDC芯片可靠工作的重要條件，如果在這個(gè)電壓上設(shè)計(jì)出了問(wèn)題，就會(huì)引起EMC，首先的就是抗擾度。 EMC問(wèn)題：當(dāng)控制電平設(shè)置在芯片開(kāi)啟電壓的邊界值時(shí)，若抗擾度測(cè)試時(shí)EN腳電壓波動(dòng)偏離芯片門(mén)限電壓，則會(huì)出現(xiàn)DCDC芯片誤關(guān)閉的情況，引起輸出電壓跌落,導(dǎo)致后端用電設(shè)備工作異常。 EMC問(wèn)題：EN腳電壓用分壓電阻給到，如果設(shè)計(jì)的分壓電阻輸出的電壓高于芯片手冊(cè)給的推薦電壓，正常情況下沒(méi)問(wèn)題，但在做雷擊浪涌等測(cè)試的時(shí)候讓EN腳電壓波動(dòng)，可能就會(huì)導(dǎo)致誤開(kāi)或誤關(guān)，如果誤關(guān)并且輸出端沒(méi)有很大的電解電容去補(bǔ)償能量的時(shí)候，就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題了。 舉例：下圖為EN腳偏置電壓設(shè)置偏低，靜電放電測(cè)試后端電路工作異常。
舉例：下圖為EN腳偏置電壓設(shè)置偏低，雷擊浪涌測(cè)試后端芯片工作異常。
一般直接給的話(huà)，EN腳電壓建議設(shè)計(jì)在2.8V以上(若芯片規(guī)格允許的話(huà))。如果是EN腳有時(shí)序的話(huà)，就要考慮芯片的充電，如果GPIO的驅(qū)動(dòng)電壓不夠的話(huà)，也會(huì)出問(wèn)題。
03
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DC-DC EMC問(wèn)題調(diào)試技巧
一：輸出電壓?jiǎn)栴}調(diào)試
對(duì)于DCDC電源而言，首要就是保證輸出電壓的穩(wěn)定性，如果遇到了輸出電壓跌落。 ? ? ? ?第一：EN腳的對(duì)策，EN腳增加高頻濾波電容，調(diào)整上拉電源的電壓值，EN腳控制信號(hào)防護(hù)設(shè)計(jì)，分壓電阻參數(shù)調(diào)整。 ? ? ? ?第二：反饋電路的對(duì)策，反饋引腳增加對(duì)地高頻電容濾掉雜波，反饋信號(hào)增加前饋電容加速反饋的速度，反饋分壓電阻比例調(diào)整。 ? ? ? ?第三：輸出電壓穩(wěn)定的對(duì)策，增加電解電容讓它放電來(lái)補(bǔ)償不足的輸出電壓，增加穩(wěn)壓二極管保證輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)值上避免輸出電壓過(guò)高燒壞后面的負(fù)載，增加儲(chǔ)能元件。
二：環(huán)路面積問(wèn)題調(diào)試(開(kāi)通環(huán)路，續(xù)流環(huán)路，主功率環(huán)路面積，環(huán)路低頻磁場(chǎng)輻射，共環(huán)路耦合，散熱)
首先來(lái)看電流環(huán)路，如下圖所示，所有的DCDC都有一個(gè)功率地，有時(shí)可能在電路中加高頻旁路環(huán)路電容，那么這種電容都應(yīng)該接到功率地上面去。對(duì)于buck而言，假如說(shuō)以二極管的接地點(diǎn)為參考點(diǎn)，那輸出高頻電容會(huì)回到二極管那里來(lái)，此時(shí)的續(xù)流環(huán)路是最小的，對(duì)于開(kāi)通環(huán)路而言，C1和C2的地接到二極管那里，從C1流向電感再流到C2，再回來(lái)到C1，此時(shí)環(huán)路最小，對(duì)于主功率環(huán)路而言也是一樣的道理。之前是高頻的分析，接下來(lái)看低頻的情況，低頻跟寄生電感無(wú)關(guān)(低頻情況下寄生電感的電感量約為0)。
此時(shí)我們可以直到，畫(huà)原理圖十分關(guān)鍵，可以在畫(huà)原理圖的時(shí)候養(yǎng)成將環(huán)路標(biāo)清楚，將路徑標(biāo)清楚(如下圖那樣)的習(xí)慣，在繪制pcb的時(shí)候就會(huì)有個(gè)參考。 接下來(lái)看寄生環(huán)路，如下圖所示，電路中的參考地對(duì)大地而言實(shí)際上不是一個(gè)地，在模塊上引出了一根線(xiàn)接到大地時(shí)，那么這個(gè)地線(xiàn)的寄生電感存在的時(shí)候是很高頻的時(shí)候，此時(shí)如右下圖可以看到，相當(dāng)于形成了很多的寄生電容再接地，這種通路一般是不可控的，會(huì)形成電位差，此時(shí)我們就要讓他盡可能以原理圖的路徑走，就要多點(diǎn)接地，讓各個(gè)接地點(diǎn)都沒(méi)有電位差。
然后看共電流環(huán)路耦合，它是兩個(gè)電流環(huán)路擁有共同的路徑，弱信號(hào)被強(qiáng)信號(hào)干擾，干凈信號(hào)被噪聲信號(hào)耦合。它合是干擾問(wèn)題產(chǎn)生的主要形式之一，也是傳導(dǎo)測(cè)試超標(biāo)的重要原因之一。在繪制PCB的時(shí)候，模擬地和數(shù)字地要分開(kāi)，音頻地和視頻地分開(kāi)，等等等等……但此時(shí)我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)最后測(cè)試的時(shí)候一項(xiàng)也無(wú)法達(dá)標(biāo)，所有分地的理論是沒(méi)有問(wèn)題的，但要弄明白分地的初衷是什么，分地的初衷是為了解決共環(huán)路耦合，共阻抗耦合，電流的泄放(比如雷擊的時(shí)候雷電的電流直接流向地而不通過(guò)電路上的元件，如果要讓電流往某方向走，就要將某方向的阻抗設(shè)計(jì)的最低)。 如下右圖所示，dcdc的電流環(huán)路和網(wǎng)口的環(huán)路是同一個(gè)環(huán)路。此時(shí)測(cè)網(wǎng)絡(luò)端傳導(dǎo)的時(shí)候就出現(xiàn)了dcdc芯片的開(kāi)關(guān)頻率，并且在測(cè)試地環(huán)路的時(shí)候示波器夾子夾在不同的地方，環(huán)路就會(huì)發(fā)生改變，如果說(shuō)此時(shí)夾到右上角的其他設(shè)備，可以發(fā)現(xiàn)地環(huán)路變得更長(zhǎng)了，而且dcdc模塊的噪聲也會(huì)被引到網(wǎng)絡(luò)上。
然后是電感磁場(chǎng)問(wèn)題，首先可以考慮更換磁屏蔽電感防止磁場(chǎng)泄露，切斷磁場(chǎng)耦合路徑，這個(gè)就是會(huì)增加成本了。次是距離控制，通過(guò)空間衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度。最后可以利用磁場(chǎng)穿過(guò)金屬產(chǎn)生渦流效應(yīng)，渦流磁場(chǎng)與原來(lái)磁場(chǎng)互相抵消。
三：開(kāi)關(guān)噪聲問(wèn)題調(diào)試
對(duì)于開(kāi)關(guān)噪聲而言，有時(shí)會(huì)認(rèn)為導(dǎo)通損耗等于關(guān)斷損耗，實(shí)際上這是不對(duì)的，要分開(kāi)設(shè)計(jì)，比如有時(shí)候想要導(dǎo)通速度慢一點(diǎn)，關(guān)斷速度快一點(diǎn)。有時(shí)如果導(dǎo)通交叉面積大，就會(huì)讓導(dǎo)通損耗比較大了，此時(shí)就讓MOS管導(dǎo)通速度變慢一點(diǎn)，但如果說(shuō)關(guān)斷交叉損耗很小，即使導(dǎo)通速度快也無(wú)所謂了，但這時(shí)候?qū)嶋H上可以分開(kāi)設(shè)計(jì)兩個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)，不同的環(huán)路。 現(xiàn)在有一些芯片有抖頻功能(另外細(xì)講)，也可以降低EMI。 解決方式：降低開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)頻率低的時(shí)候，開(kāi)關(guān)噪聲和寄生振蕩都會(huì)比較小，至于開(kāi)關(guān)頻率低的壞處，就是電感產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)的輻射比較強(qiáng)，由于磁場(chǎng)容易受到空間的衰減，越是高頻的磁場(chǎng)越容易衰減，而低頻的磁場(chǎng)穿透性會(huì)更強(qiáng)，高頻電流很容易受到電感的影響，而低頻電流卻不容易。 解決方式：遇到上沖振鈴和下沖振鈴可以增加吸收電路，如果RC設(shè)計(jì)小了抑制不了，加大了可能會(huì)引發(fā)其他問(wèn)題，而又有可能因?yàn)樾酒瑑?nèi)部的布線(xiàn)導(dǎo)致振蕩而無(wú)法處理，此時(shí)可以考慮電壓鉗位電路，下圖上和下圖下就是很鮮明的對(duì)比。
四：寄生參數(shù)問(wèn)題調(diào)試
所有的寄生振蕩都由幾個(gè)地方產(chǎn)生：器件，PCB，結(jié)構(gòu)，組合寄生參數(shù)。 解決方式：器件的寄生參數(shù)可以更換器件或者加吸收電路來(lái)解決。 解決方式：PCB的寄生參數(shù)可以通過(guò)優(yōu)化布局來(lái)解決，或者優(yōu)化接地，比如屏蔽的金屬罩可以接地(一個(gè)反例：電感或變壓器的漏磁場(chǎng)穿過(guò)金屬罩產(chǎn)生渦流，由于渦流電流必須要回到原端，如果接地點(diǎn)不足，就導(dǎo)致高頻電感兩端電位差很大和輻射路徑遠(yuǎn))。 解決方式：在結(jié)構(gòu)上可以在開(kāi)孔，比如電腦電源就會(huì)開(kāi)很多孔，不僅是為了通風(fēng)散熱，還可以避免高頻寄生電感，這是從電流的角度出發(fā)的，如果從電位差的角度出發(fā)，如果寄生電感過(guò)大了的話(huà)，還會(huì)產(chǎn)生新的電位差。 解決方式：在增加電容或電感的時(shí)候，就要考慮是電壓造成的干擾還是電流造成的干擾，電壓造成的干擾就增加電容濾波，而加電感可以衰減旁路電容的電流，讓輻射變小。 解決方式：增加阻尼，加磁珠(加電阻是破壞寄生振蕩最有效的方式，但為了維持電流，肯定不能加電阻的)，磁珠又有電感的特性又有電阻的特性，如果加了磁珠可能會(huì)產(chǎn)生電壓應(yīng)力，也就是反向的時(shí)候由于電壓突變會(huì)產(chǎn)生反向電壓，導(dǎo)致過(guò)沖。
五：傳導(dǎo)問(wèn)題和輻射問(wèn)題調(diào)試
電源端傳導(dǎo)問(wèn)題：? ? ? ?
電感空間磁場(chǎng)輻射：使用磁屏蔽電感/與ac電源輸入端拉開(kāi)距離
輸出電源環(huán)路低頻磁場(chǎng)輻射：與ac電源輸入端拉開(kāi)距離/衰減環(huán)路中低頻噪聲電流 共電源阻抗耦合：調(diào)整pcb布線(xiàn)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線(xiàn)方式衰減輸入電源線(xiàn)上的低頻噪聲電流
電信端傳導(dǎo)問(wèn)題：? ? ? ?
共電源阻抗耦合：調(diào)整pcb布線(xiàn)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線(xiàn)方式/衰減輸入電源線(xiàn)上的低頻噪聲電流
共地環(huán)路耦合：電源信號(hào)環(huán)路與dcdc輸入噪聲分開(kāi)/衰減輸入電源線(xiàn)上的低頻噪聲電流/dcdc電路遠(yuǎn)離外部端子放置 電信端電路參數(shù)調(diào)整：Bob smith電路參數(shù)調(diào)整/Bob Smith電路電容接地點(diǎn)選擇/電信差分信號(hào)與buck電感距離控制/buck電感使用屏蔽電感
輻射問(wèn)題：
環(huán)路面積問(wèn)題：開(kāi)通環(huán)路面積控制/續(xù)流環(huán)路面積控制/開(kāi)通高頻旁路環(huán)路面積/續(xù)流高頻旁路面積 寄生參數(shù)影響：開(kāi)關(guān)MOS管寄生電容/PCB布線(xiàn)寄生電感/同步MOS管寄生電容/動(dòng)態(tài)線(xiàn)分布電容/續(xù)流二極管寄生電容 濾波設(shè)計(jì)：開(kāi)關(guān)環(huán)路或者續(xù)流環(huán)路增加高頻磁珠/同步開(kāi)關(guān)MOS管RC吸收/開(kāi)關(guān)MOS管RC吸收/輸入供電電源濾波設(shè)計(jì)/續(xù)流二極管RC吸收 寄生振蕩：開(kāi)關(guān)MOS寄生電容與PCB布線(xiàn)寄生電感振蕩/續(xù)流二極管寄生電容與PCB布線(xiàn)寄生電感振蕩/同步開(kāi)關(guān)MOS管寄生電容與PCB布線(xiàn)寄生電感振蕩/PCB布線(xiàn)寄生電感與高頻開(kāi)路寄生振蕩 ?
04
?
DC-DC EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
一：原理圖設(shè)計(jì)
RC吸收設(shè)計(jì)，高頻旁路設(shè)計(jì)，磁珠正確應(yīng)用：
如果PCB的環(huán)路設(shè)計(jì)的合理，實(shí)際上可以不需要加吸收，也可以預(yù)留吸收電路焊接位，避免調(diào)試的時(shí)候改板。下圖二極管的磁珠加的不正確，磁珠的高頻會(huì)和RC產(chǎn)生諧振，應(yīng)該讓RC并聯(lián)在二極管的兩邊，這樣的話(huà)還可以讓磁珠對(duì)二極管的應(yīng)力產(chǎn)生的小一些(舉一個(gè)反例：在電源輸入端加一個(gè)磁珠，然后加電容到地，然后導(dǎo)致芯片燒毀，如果沒(méi)有電容吸收電壓，就會(huì)產(chǎn)生很高的電壓應(yīng)力，讓芯片燒毀，正確的方式是先加一個(gè)高頻電容再加磁珠，對(duì)于的電源輸入端的電容先高頻再低頻還是先低頻再高頻的問(wèn)題而言，在PCB布線(xiàn)很短的情況下問(wèn)題不大，但在PCB布線(xiàn)很長(zhǎng)的時(shí)候就要先高頻再低頻，因?yàn)楦哳l有寄生電感，會(huì)引起寄生振蕩小電容要放近一些，大電容可以遠(yuǎn)一點(diǎn))。電容可以提供阻抗濾掉電壓引起的干擾但會(huì)造成大的電流，而磁珠可以變成電流環(huán)進(jìn)一步消耗電流，所以下圖的磁珠如果加上效果會(huì)更好。
插入一個(gè)磁珠位置的問(wèn)題，一般是哪里振蕩，磁珠就串在哪里，磁珠的作用就是為了解決寄生振蕩的問(wèn)題，假如MOS管到二極管的走線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起寄生振蕩，那就串在這里，假如是MOS管到電感的走線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)引起的寄生振蕩，那就串在那里，也可以直接留下預(yù)焊接位，哪個(gè)有問(wèn)題串在哪里。然后看BOOST的設(shè)計(jì)，如下圖所示，原理基本差不多。
濾波與防護(hù)設(shè)計(jì)：
電源與外部連接濾波與防護(hù)的設(shè)計(jì)，靜電放電防護(hù)與雷擊浪涌防護(hù)。差模雷擊防護(hù)與共模雷擊浪涌防護(hù)。差模濾波與共模濾波,高頻濾波與低頻濾波設(shè)計(jì)。 ? ? ? ?如果是外部端口要考慮雷擊浪涌防護(hù)，差模防護(hù)，共模防護(hù)，可以在正負(fù)之間并聯(lián)一個(gè)TVS管做差模防護(hù)，正負(fù)分別對(duì)地是做共模防護(hù)，X電容做差模旁路，Y電容做共模旁路，避免外部線(xiàn)纜感應(yīng)外部噪聲，兩個(gè)共模電感形成pai型濾波電路。下圖最后一個(gè)電容有時(shí)候可以不加，跟噪聲源有很大的關(guān)系，所謂的感性負(fù)載產(chǎn)生電壓和容性負(fù)載產(chǎn)生電流(與常識(shí)恰恰相反)，因?yàn)殡姼性谕〝嗟臅r(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)應(yīng)對(duì)電流突變，噪聲就來(lái)源于這里，電容在充電放電是電流在急速變化。如果電壓成分較多的時(shí)候，在前面加個(gè)電容的話(huà)旁路效果就不一樣，如果電流成分較多的時(shí)候，加電容也沒(méi)關(guān)系，因?yàn)殡娙葑杩贡容^低(高頻噪聲)，總的來(lái)說(shuō)要靠電感量來(lái)設(shè)計(jì)。而如果不加CX2的話(huà)，兩個(gè)電感串聯(lián)，兩級(jí)濾波就會(huì)變成一級(jí)，總的來(lái)說(shuō)可以很靈活的調(diào)整這個(gè)濾波器，在PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候就應(yīng)該全部預(yù)留焊接位，因?yàn)椴恢缹?shí)際上的噪聲是什么情況，在實(shí)際調(diào)試了之后，再來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)濾波電路。
二：PCB設(shè)計(jì)
有關(guān)疊層，在高速信號(hào)過(guò)程中與疊層相關(guān)，而電源也跟疊層有關(guān)，由于功率原因，很多會(huì)使用多層板，而多層板又帶來(lái)環(huán)路的改變，因此疊層和環(huán)路設(shè)計(jì)也需要注意。對(duì)于DCDC而言，首先就是參考地，保證環(huán)路最小，對(duì)于多層板而言，可以用中間層做參考，但一定要保證參考地在同一層，否則會(huì)導(dǎo)致環(huán)路面積直線(xiàn)上升。 ?
審核編輯：黃飛
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