如何在降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中降低EMI的實(shí)用技巧

由于涉及非常高的頻率，因此降低開(kāi)關(guān)模式電源中的電磁干擾 （EMI） 可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。電氣元件的行為與預(yù)期不同，因?yàn)樵募纳?yīng)通常起著重要作用。本應(yīng)用筆記介紹了與 EMI 相關(guān)的低壓降壓轉(zhuǎn)換器操作的一些基礎(chǔ)知識(shí)，并提供了一些如何在降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中降低 EMI 的實(shí)用技巧。

一、簡(jiǎn)介

在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器時(shí)，通常在設(shè)計(jì)階段的后期測(cè)試電磁兼容性。如果在設(shè)計(jì)的初始階段沒(méi)有考慮 EMI，那么之后降低 EMI 往往會(huì)很困難或代價(jià)高昂。確保順利和優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最佳方法是在設(shè)計(jì)的開(kāi)始階段考慮 EMI。元件選擇和布局考慮對(duì)于從一開(kāi)始就獲得良好的 EMI 性能至關(guān)重要。

2. Buck 轉(zhuǎn)換器中的 EMI 來(lái)源

EMI 輻射可由兩種來(lái)源產(chǎn)生：交流電場(chǎng)源（高阻抗）或交流磁場(chǎng)源（低阻抗）。非隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的節(jié)點(diǎn)和環(huán)路阻抗相對(duì)較低（遠(yuǎn)低于 377Ω 的遠(yuǎn)場(chǎng)阻抗），因此磁場(chǎng)通常是 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器中的主要輻射源。

磁場(chǎng)輻射是由在小電流回路中流動(dòng)的高頻電流引起的。電流回路會(huì)發(fā)出高頻磁場(chǎng)，當(dāng)與源的距離超過(guò)0.16λ（遠(yuǎn)場(chǎng)）時(shí)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶艌?chǎng)。小電流回路的場(chǎng)強(qiáng)約為：

其中 f 是以 Hz 為單位的信號(hào)頻率，A 是以 m 2為單位的環(huán)路面積，I 是以安培為單位的環(huán)路中的電流幅度，而 R 是以米為單位的環(huán)路距離。

例如，一個(gè) 1cm 2電流環(huán)路，電流為 1mA，頻率為 100MHz，在 3m 距離處產(chǎn)生 4.4μV/m 或 12.9dBμV 的場(chǎng)強(qiáng)。

下面的圖 1 顯示了 1cm 2電流環(huán)路在 3m 距離處具有 1mA 電流的近似輻射與電流頻率的函數(shù)關(guān)系。綠線顯示 3m 距離的近似 EN55013 輻射限制。

圖1

從圖中可以看出，1cm 2環(huán)路在1mA rms高頻電流下的輻射不會(huì)輕易超限。經(jīng)常導(dǎo)致超出限制的問(wèn)題是，當(dāng)較小的環(huán)路激發(fā)較大的環(huán)路或連接到 PCB 的布線開(kāi)始輻射時(shí)。這些較大的環(huán)路或電線是更有效的天線，因此對(duì)總輻射的貢獻(xiàn)要大得多。

3. 識(shí)別降壓轉(zhuǎn)換器中的電流環(huán)路

DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)主要回路，其中流過(guò)高交流電流，如圖 2 所示。

當(dāng)高端 MOSFET Q1 導(dǎo)通時(shí)，電流從電源通過(guò) Q1 和 L1 流向輸出電容器和負(fù)載。電流通過(guò)地流回輸入。電流的交流部分將流經(jīng)輸入和輸出電容器。 該電流在圖 2中以紅色顯示為 I 1 。

當(dāng) Q1 關(guān)斷時(shí)，電感電流將保持同向流動(dòng)，同步整流 MOSFET Q2 導(dǎo)通。電流流經(jīng) Q2、L1、負(fù)載和輸出電容器，并通過(guò)地流回 Q2。該循環(huán)以藍(lán)色顯示為 I 2。I 1和 I 2 都是不連續(xù)的電流，這意味著它們?cè)诨顒?dòng)時(shí)間的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)都有急劇的上升沿和下降沿。這些鋒利的邊緣具有快速的上升和下降時(shí)間（高 dI/dt）。因此，它們具有很多高頻內(nèi)容。

圖 2：降壓轉(zhuǎn)換器電流環(huán)路

I 1和 I 2共用一條從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)到電感器到輸出電容器再到地再到 Q2 源極的公共路徑。I 1和I 2之和是一個(gè)相對(duì)平滑的連續(xù)鋸齒波形，由于沒(méi)有高dI/dt 邊緣，其高頻成分較少。

從 EMI 輻射的角度來(lái)看，具有高 dI/dt 電流的電流環(huán)路是陰影區(qū)域 A 1，如圖 3 所示。該環(huán)路將產(chǎn)生最高頻率，應(yīng)被視為降壓轉(zhuǎn)換器中 EMI 最關(guān)鍵的環(huán)路。 區(qū)域 A 2中的電流 dI/dt幾乎沒(méi)有 A 1中的那么高，并且通常產(chǎn)生的噪聲要少得多。

圖 3

在設(shè)置降壓轉(zhuǎn)換器的 PCB 布局時(shí)，陰影區(qū)域 A 1應(yīng)盡可能小。

有關(guān)布局的實(shí)用技巧，請(qǐng)參閱 第 7 章。

4.輸入輸出濾波

在理想情況下，輸入和輸出電容器對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)電流的阻抗非常低。但在實(shí)際應(yīng)用中，電容會(huì)存在 ESR 和 ESL，這會(huì)增加電容阻抗并導(dǎo)致電容兩端出現(xiàn)超高頻電壓降。該電壓將在電源輸入線和負(fù)載連接中感應(yīng)出電流，如圖 4 所示。

圖 4

由于降壓轉(zhuǎn)換器輸入電流的不連續(xù)性以及轉(zhuǎn)換器的電源線通常很長(zhǎng)，因此輸入環(huán)路 A 3可能會(huì)大量輻射或?qū)е略趥鲗?dǎo) EMC 測(cè)量中超過(guò)傳導(dǎo)發(fā)射水平（150kHz ~ 30MHz樂(lè)隊(duì)）

為了降低 Cin 兩端的電壓降，請(qǐng)使用低 ESR MLCC 類(lèi)型和多個(gè)不同尺寸的電容器，例如 2x10μF 1206 和一個(gè) 22n~100nF 0402 或 0603 尺寸類(lèi)型靠近降壓 IC。為了減少輸入環(huán)路中的噪聲，強(qiáng)烈建議在輸入線路中添加額外的 LC 濾波。當(dāng)對(duì) L2 使用純電感時(shí)，可能需要添加電解電容器 C3 以抑制任何輸入電源振鈴并確保穩(wěn)定的輸入電源。

為了過(guò)濾輸出，還可以為 Cout 使用多個(gè)不同尺寸的 MLCC。小型 0603 或 0402 尺寸 22nF~100nF 的電容器可以更好地阻擋高頻噪聲，這些高頻噪聲可能從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)電感器 L1 的寄生電容耦合到輸出端。額外的 HF 磁珠將避免輸出環(huán)路成為有效的環(huán)形天線。應(yīng)該注意的是，輸出中的高頻磁珠會(huì)惡化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載調(diào)節(jié)。如果應(yīng)用負(fù)載在這方面很關(guān)鍵，則不要使用磁珠，而是將轉(zhuǎn)換器放置在盡可能靠近負(fù)載的位置，并通過(guò)在輸出中使用銅平面來(lái)最小化環(huán)路面積。

圖 5：降壓轉(zhuǎn)換器輸入和輸出濾波

5. 降低降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)速度

如果降壓轉(zhuǎn)換器電路的輻射水平仍然超過(guò)要求水平并且無(wú)法改進(jìn)布局或?yàn)V波，則降低降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)速度有助于降低輻射水平。為了了解可以實(shí)現(xiàn)的輻射減少，讓我們檢查不連續(xù)電流脈沖波形的頻率內(nèi)容。

圖 6 左側(cè)顯示了作為梯形波的簡(jiǎn)化電流波形，周期為 T PERIOD，寬度為 T W，上升和下降時(shí)間為 T RISE。頻域?qū)⒂苫l和許多高次諧波組成。高次諧波的脈沖寬度、上升/下降時(shí)間和幅度之間的關(guān)系可以通過(guò)傅里葉分析得出，如圖6右側(cè)所示。

圖 6：脈沖波形的諧波含量

圖 6 的頻率值基于 800kHz 開(kāi)關(guān)信號(hào)的示例，脈沖寬度為 320nsec，上升和下降時(shí)間為 10nsec。輻射EMI問(wèn)題經(jīng)常發(fā)生在50MHz~300MHz范圍內(nèi)，可以看出增加上升和下降時(shí)間會(huì)使f R 點(diǎn)移到較低的頻率，而高頻會(huì)以40dB/dec的速度更快地滾降。在較低的頻率范圍內(nèi)，較慢的上升和下降時(shí)間的影響非常有限。

在自舉電路中添加串聯(lián)電阻。

開(kāi)關(guān)波形上升時(shí)間由高邊 MOSFET Q1 的開(kāi)啟速度決定。Q1 由一個(gè)浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器通過(guò)自舉電容器 Cboot 供電。在集成降壓 IC 中，C boot 通過(guò)內(nèi)部穩(wěn)壓器（通常為 4~5V）充電。見(jiàn)圖 7 左側(cè)。

圖 7：在自舉電路中添加串聯(lián)電阻

增加降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)波形和電流脈沖的上升時(shí)間可以通過(guò)減慢高側(cè) MOSFET 的開(kāi)啟速度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這可以通過(guò)在 Cboot 上串聯(lián)一個(gè)電阻 Rboot 來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 7 右側(cè)所示。Rboot 的值取決于高端 MOSFET 的大小。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，使用大約 5~10Ω。對(duì)于較小（較高 Rdson）的 MOSFET，允許較大的 Rboot 值。Rboot 值過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致高占空比應(yīng)用中的 Cboot 充電不足，或?qū)е?IC 電流檢測(cè)不穩(wěn)定。較慢的 MOSFET 開(kāi)啟也會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗并降低效率。

在設(shè)計(jì)中，如果 MOSFET 是外部的，則可以在高端 MOSFET 柵極中添加一個(gè)串聯(lián)電阻。這將增加高邊 MOSFET 的開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間。

當(dāng)高端 MOSFET Q1 關(guān)斷時(shí)，電感電流將為 Q1 的寄生輸出電容充電并為 Q2 的寄生輸出電容放電，直到開(kāi)關(guān)波形低于地電位并激活 Q2 的體二極管。因此下降時(shí)間基本上由電感峰值電流和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處的總寄生電容決定。

圖 8 顯示了典型布局中降壓轉(zhuǎn)換器 IC 的寄生組件示例。

圖 8

寄生電容是由 MOSFET Coss 和基板電容引起的。從 IC 引腳到硅芯片的鍵合線會(huì)有一些寄生電感。這些寄生元件與 PCB 布局寄生電感和輸入濾波電容 ESL 相結(jié)合，將在開(kāi)關(guān)波形中引起高頻振鈴。當(dāng) MOSFET Q1 開(kāi)啟時(shí)，正邊沿的振鈴頻率主要由 Coss Q2 和 MOSFET 開(kāi)關(guān)環(huán)路中的總寄生電感 （Lp VIN + Lp GND + Lp LAYOUT + ESL CIN ） 決定。

當(dāng) MOSFET Q1 關(guān)斷時(shí)，下降沿的振鈴頻率主要由 Coss Q1 和低端 MOSFET 源極對(duì)地的寄生電感 （Lp GND ） 決定。

圖 9

圖 9 顯示了具有快速上升和下降時(shí)間以及上升沿和下降沿振鈴的開(kāi)關(guān)波形示例。由于寄生電感中存儲(chǔ)的能量??I 2 ?Lp，振鈴幅度將隨著負(fù)載電流的增加而增加。頻率范圍通常在 200~400MHz 左右，會(huì)產(chǎn)生高頻 EMI 輻射。過(guò)度振鈴?fù)ǔ１砻麟娐芳纳姼休^大，應(yīng)檢查布局是否存在較大的環(huán)路或 Vin 或接地中的細(xì)走線。元件封裝也會(huì)影響振鈴：由于鍵合線的電感比柱式鍵合更高，鍵合線封裝的性能會(huì)比倒裝芯片封裝差。

RC 緩沖器阻尼

添加 RC 緩沖器可以有效地抑制振鈴，但會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗。

RC 緩沖器應(yīng)盡可能靠近開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和電源地。在帶有外部 MOSFET 的降壓轉(zhuǎn)換器中，RC 緩沖器應(yīng)直接放置在低側(cè) MOSFET 的漏極和源極之間。圖 10 顯示了 RC 緩沖器的放置。

圖 10

緩沖電阻器 Rs 的目的是為寄生諧振 LC 電路增加足夠的阻尼。Rs 的值取決于所需的阻尼和電路的寄生 L & C 組件，由下式給出：

其中 ξ 是阻尼因子。通常 ξ 的范圍可以從 0.5（略微欠阻尼）到 1（臨界阻尼）。

寄生 Lp 和 Cp 的值通常是未知的，最好通過(guò)以下方式測(cè)量：

1.在上升沿測(cè)量原始振鈴頻率 f RING 。

2. 在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)到地之間添加一些小電容，觀察振鈴頻率變低。繼續(xù)增加電容，直到振鈴頻率為原始振鈴頻率的 50%。

3. 振鈴頻率降低 50% 意味著總諧振電容是原始電容的四倍。因此，原始電容 Cp 是附加電容的 1/3。

4. 現(xiàn)在可以計(jì)算寄生電感 Lp

RC 緩沖器的串聯(lián)電容 Cs 需要足夠大，以使阻尼電阻能夠在電路振鈴期間執(zhí)行穩(wěn)定的諧振阻尼。由于電容器在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的充電和放電，電容器的太大值會(huì)增加功率損耗。通常選擇 Cs 比電路寄生電容大 3~4 倍。

除了諧振阻尼之外，RC 緩沖器還會(huì)略微增加開(kāi)關(guān)波形的上升和下降時(shí)間。然而，緩沖電容的充電和放電會(huì)在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生額外的開(kāi)關(guān)峰值電流尖峰，這可能會(huì)增加低頻區(qū)域的 EMI。

放置 RC 緩沖器后，請(qǐng)務(wù)必檢查電路的總功率損耗：轉(zhuǎn)換器效率會(huì)下降，尤其是在高開(kāi)關(guān)頻率和高輸入電壓下。

RL 緩沖器阻尼

在開(kāi)關(guān)電路中抑制振鈴的一種不太明顯的方法是添加一個(gè)與諧振電路串聯(lián)的 RL 緩沖器。帶有 RL 緩沖器的降壓轉(zhuǎn)換器如圖 11 所示。目的是在諧振電路中添加少量串聯(lián)電阻，足以提供一些阻尼。由于開(kāi)關(guān)電路的總電阻通常很低，這個(gè)阻尼電阻 Rs 也可以很低，大約為 1Ω 或更小。選擇電感器 Ls 以在低于諧振的頻率下提供低阻抗，基本上是為了在低頻范圍內(nèi)短路阻尼電阻。由于振鈴頻率通常很高，因此所需的電感器也可以很小，大約為幾 nH，這可以通過(guò)幾毫米的薄 PCB 走線來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以它不會(huì)顯著增加循環(huán)面積。也可以使用與 Rs 平行的非常小的珠子來(lái)代替 Ls；在這種情況下，磁珠必須在遠(yuǎn)低于諧振頻率的頻率下具有低阻抗，并且必須具有足夠的電流額定值以用于輸入 RMS 電流。

圖 11

RL 緩沖器最好放置在靠近功率級(jí)輸入節(jié)點(diǎn)的位置。RL 緩沖器的一個(gè)缺點(diǎn)是它會(huì)在高頻區(qū)域的開(kāi)關(guān)環(huán)路中產(chǎn)生阻抗 Rs。在非常快速的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，開(kāi)關(guān)電流脈沖將在 Rs 上產(chǎn)生一個(gè)短電壓毛刺，從而在功率級(jí)輸入節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)小電壓毛刺。如果此 VIN 電壓毛刺達(dá)到過(guò)高或過(guò)低的值，則可能會(huì)影響功率級(jí)開(kāi)關(guān)或 IC 操作。添加 RL 緩沖器時(shí)，請(qǐng)務(wù)必在最大負(fù)載切換期間檢查 VIN 節(jié)點(diǎn)上的電壓毛刺。

6. 實(shí)例

本章展示了降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面對(duì) EMI 的影響。我們使用RT7297C HZSP，這是一款靈活的 800kHz、3A 電流模式降壓轉(zhuǎn)換器，采用 PSOP-8 封裝，在 12V – 3.3V/3A 應(yīng)用中進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試裝置的示意圖如圖 12 所示。

圖 12

測(cè)試板有兩種版本：一種帶有全銅接地層，另一種沒(méi)有接地層。

該板具有多個(gè)選項(xiàng)，例如 LC 輸入濾波器、不同的輸入電容器放置、Rboot 和 RC 緩沖器選項(xiàng)以及輸出 LC 濾波器選項(xiàng)。具有不同選項(xiàng)的測(cè)試布局如圖 13 所示。

圖 13：EMI 測(cè)試板

測(cè)試測(cè)量設(shè)置如圖 14 所示。

圖 14

當(dāng)被測(cè)板放置在實(shí)驗(yàn)室桌面上時(shí)，PCB 電流回路和布線將向環(huán)境輻射 HF 能量。

這種輻射會(huì)作為電源線中的高頻共模電流返回電路板。參見(jiàn)圖 15。電源引線中的高頻共模電流基本上是來(lái)自電路板的組合輻射場(chǎng)電流，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)可以用作輻射發(fā)射的指示。

圖 15：場(chǎng)輻射引起的共模電流

轉(zhuǎn)換器的輸入電源由 3S （~12V） 鋰離子電池提供，獨(dú)立于其他實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。電池引線兩端有一個(gè)電解電容器，以消除由于電池電感引起的諧振。

轉(zhuǎn)換器負(fù)載是一個(gè) 1Ω 電阻器與一個(gè) 10μF MLCC 電容器并聯(lián)。這為高頻低阻抗轉(zhuǎn)換器提供了 3A 負(fù)載。

電池端輸入線的地線通過(guò) 100Ω 連接到實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)地。這為電路提供了一個(gè)接地參考，其阻抗類(lèi)似于 EMC 測(cè)量 LISN 網(wǎng)絡(luò)。

自制的 EMI 電流測(cè)量工具（見(jiàn) 第 8 章）可以放置在電源輸入和輸出線中。在本報(bào)告中，我們使用示波器查看測(cè)量的 HF 電流信號(hào)，該信號(hào)將顯示轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的高頻毛刺。對(duì)于這些重復(fù)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，可以讓示波器計(jì)算噪聲信號(hào)的FFT，來(lái)查看被測(cè)電流的頻率成分。盡管這不如頻譜分析儀準(zhǔn)確，但它對(duì)于簡(jiǎn)單電路的實(shí)驗(yàn)和判斷仍然非常有用。

輸入電容放置

實(shí)驗(yàn)一：Cin 遠(yuǎn)離 IC

圖 16 中的布局顯示了輸入電容器的錯(cuò)誤放置，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)環(huán)路具有大量寄生電感。（布局有一些額外的間隙以增加循環(huán)區(qū)域）

圖 16

我們首先通過(guò)測(cè)量輸入線中的共模電流對(duì)輻射噪聲進(jìn)行一般檢查

圖 17：輸入線中的共模電流測(cè)量

圖 17 右側(cè)顯示共模電流極高，并延伸到很寬的頻帶。

我們可以通過(guò)使用環(huán)形天線搜索 PCB 上的輻射場(chǎng)來(lái)檢查共模電流的來(lái)源。當(dāng)環(huán)形天線工具放在輸入環(huán)路上方時(shí)，示波器在 Cin 環(huán)路上方高達(dá) 200MHz 的中低頻范圍內(nèi)顯示大量輻射噪聲，見(jiàn)圖 18。

我們還看到開(kāi)關(guān)波形有很大的過(guò)沖和振鈴，實(shí)際上超過(guò)了 IC 額定電壓。因此，輸入電容放置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致高輻射和大波形振鈴。

圖 18：測(cè)量單面 PCB 上大 C IN環(huán)路的輻射場(chǎng)

如果我們?cè)诘撞坑薪拥貙拥碾娐钒迳线M(jìn)行相同的測(cè)量，可以看出帶有接地層的大 Cin 環(huán)路的輻射遠(yuǎn)低于單面板的輻射。帶有接地層的電路板中的開(kāi)關(guān)振鈴也略低，見(jiàn)圖 19。

圖 19：帶接地層的雙面 PCB 上的大 C IN環(huán)路

來(lái)自大環(huán)路的 HF 磁場(chǎng)在底部接地平面中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生相反方向的磁場(chǎng)，部分抵消了原始磁場(chǎng)。接地層離環(huán)路越近，它就越有效。

實(shí)驗(yàn) 2：Cin 更靠近 IC。

我們繼續(xù)使用單面 PCB，并將 Cin 電容器放置在靠近 IC 的位置，從而使 Cin 回路更小。見(jiàn)圖 20。

圖 20：更好的 C IN布局

開(kāi)關(guān)過(guò)沖和振鈴降低了約 50%，輻射發(fā)射下降了約 10dB。

頻段現(xiàn)在擴(kuò)展到 300MHz 范圍。

圖 21

重要的是要認(rèn)識(shí)到更好地放置 Cin 將改善開(kāi)關(guān)波形過(guò)沖和振鈴并減少 HF 輻射。

在RT7297C HZSP 中，散熱焊盤(pán)沒(méi)有連接到裸片，因此與散熱焊盤(pán)的布局銅連接不會(huì)縮短 Cin 環(huán)路。高側(cè)和低側(cè) MOSFET 通過(guò)多條焊線連接到 VIN 和 GND 引腳。所以最短的循環(huán)是通過(guò)這兩個(gè)引腳。

實(shí)驗(yàn) 3：在 IC VIN 和 GND 引腳之間直接添加一個(gè)額外的 10nF 小電容。

圖 22 顯示了放置：Cin 回路現(xiàn)在基本上由 IC 引腳、鍵合線和 0603 電容器尺寸決定。

圖 22

開(kāi)關(guān)波形過(guò)沖實(shí)際上已經(jīng)消失，但出現(xiàn)了較低頻率的振鈴。

測(cè)量回路必須放置在更靠近 PCB 的位置：高頻噪聲消失了，但在 25MHz 附近的低頻區(qū)域有一個(gè)很大的峰值。

圖 23：在 ic GND 和 VIN 引腳之間添加單個(gè) 10nF 0603

低頻諧振是兩個(gè)電容器并聯(lián)在不同回路中具有不同諧振的結(jié)果。這通常發(fā)生在 EMI 故障排除期間，應(yīng)識(shí)別環(huán)路和諧振。在這種情況下，10nF 與 4nH 寄生電感（約 3mm 導(dǎo)體長(zhǎng)度）諧振，產(chǎn)生 25MHz 諧振。諧振回路是帶有 IC 引腳、鍵合線和布局走線的小型 0603 電容器，形成一個(gè)長(zhǎng)度約為 3mm 的回路。

解決方案可以通過(guò)添加一個(gè) ESR 稍高的 1206 22μF 大電容與 10nF 小電容并聯(lián)來(lái)找到。

具有最佳 Cin 電容器位置的布局如圖 24 所示。

圖 24

采用上述方案，單面板開(kāi)關(guān)波形過(guò)沖基本消失，環(huán)形天線的輻射噪聲拾取也非常低；FFT 波形主要處于本底噪聲水平。

圖 25：具有最短 C IN 循環(huán)的最終解決方案

如果我們現(xiàn)在用 HF 電流探頭測(cè)量輸入線中的共模電流，我們會(huì)看到共模噪聲下降了很多，與第一次測(cè)量相比，在某些頻率下下降了 30dB 以上。這意味著現(xiàn)在電路板的總輻射水平非常低。

圖 26：最終解決方案共模測(cè)量

輸入電源線濾波

輸入電源線中的高頻電流包括差模電流和共模電流?？梢酝ㄟ^(guò)最小化電路板布局中高 dI/dt 電流環(huán)路的面積來(lái)降低共模噪聲。輸入線差模電流有不同的來(lái)源?？梢杂米灾频碾娏魈筋^將+和-線以相反方向穿過(guò)磁芯進(jìn)行測(cè)量，如下圖27所示：

圖 27：差模電流測(cè)量

我們測(cè)量的差分電流是由降壓轉(zhuǎn)換器脈沖輸入電流通過(guò)輸入電容器引起的，如果輸入電容器包含在回路中，則會(huì)導(dǎo)致輸入電容器的電容和 ESR 和布局 ESL 上出現(xiàn)電壓降。該電壓降導(dǎo)致輸入電源線中的差模電流。

可以通過(guò)增加輸入電容來(lái)減小這種差模電流，但是在輸入線中添加一個(gè)小的 LC 濾波器會(huì)更有效，如圖 28 右側(cè)所示。

圖 28：輸入過(guò)濾

沒(méi)有額外的輸入過(guò)濾器帶輸入濾波器 10μF 1206 MLCC + 0603 磁珠 2A BLM18PG121SN1帶輸入濾波器 10μF 1206 MLCC + 1μH 電感 LQH3NPN1R0 1.5A

圖 29

從圖 29 可以看出，添加一個(gè)磁珠 + 電容器將去除除 800kHz 基波之外的所有高頻；使用 1μH 電感 + 電容將消除包括基波在內(nèi)的所有差模噪聲。

輸出線濾波

在測(cè)量輸出電源中的差模時(shí)，由于沒(méi)有高 dI/dt 的連續(xù)輸出電流，高頻成分并不多。然而，高達(dá) 30MHz 左右的低頻噪聲相當(dāng)大。輸出引線中的大部分差分電流是由經(jīng)過(guò)輸出電容的轉(zhuǎn)換器電感紋波電流引起的，輸出電容也有一定的 ESR。如圖 30 所示，通過(guò)磁珠和 MLCC 電容器添加一個(gè)額外的 LC 濾波器將消除大部分差分噪聲。

圖 30：輸出濾波

測(cè)量 3.3V 輸出引線中的差模電流無(wú)需額外的輸出濾波器帶輸出濾波器 22μF 1206 MLCC + 0603 磁珠 4A BLM18SG700TN1

圖 31

很多時(shí)候，一些電感雜散磁場(chǎng)也會(huì)耦合到輸出環(huán)路中。

屏蔽電感器類(lèi)型的雜散場(chǎng)低，不易耦合到輸出環(huán)路。但在使用非屏蔽或半屏蔽電感的情況下，負(fù)載的輸出環(huán)路面積需要最小化以避免雜散磁場(chǎng)耦合。

通過(guò)在自舉電路和 RC 緩沖器中添加串聯(lián)電阻來(lái)減少振鈴。

在本實(shí)驗(yàn)中，我們使用帶有輸入電容器位置的雙面電路板，如實(shí)驗(yàn) 2 所示。這種設(shè)置會(huì)從輸入環(huán)路產(chǎn)生大量輻射。

圖 32

作為參考測(cè)量，輸入電源共模電流是在沒(méi)有 Rboot 或 RC 緩沖器的情況下測(cè)量的。開(kāi)關(guān)波形顯示 5V 過(guò)沖，振鈴頻率為 238MHz。電源線中的共模電流顯示出相當(dāng)大的高頻噪聲，見(jiàn)圖 33。

圖 33：參考測(cè)量開(kāi)關(guān)波形和共模電流

RT7297C的高端 MOSFET （110mΩ） 相對(duì)較小，因此在自舉電路中添加低值串聯(lián)電阻的影響相對(duì)較小。發(fā)現(xiàn) Rboot 需要超過(guò) 20Ω 才能看到開(kāi)關(guān)波形的任何變化。下圖顯示了 0Ω 的原始波形（灰色參考）和添加 33Ω 串聯(lián)電阻時(shí)的新波形，將過(guò)沖降低到 3V。這種變化對(duì)共模電流的影響非常小，在這個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)量設(shè)置中幾乎無(wú)法測(cè)量。

圖 34 ： 添加 33Ω R啟動(dòng)前后的振鈴

為了確定 RC 緩沖值，我們使用第 5 章中描述的方法 ：

原始 f RING = 238MHz。加上 220pF 后，f RING變?yōu)?114MHz。因此，CP 為 220pF/3 = 73pF。

L P可以從 ; L P = 6.1nH。

R S可以從 ; 當(dāng)我們使用 ξ = 0.5 時(shí)，我們得到 R S = 9.1Ω，我們選擇 8.2Ω

C S選擇 4xC P 并變?yōu)?330pF。

RC 緩沖器前的波形RC 緩沖器后的波形帶緩沖器的共模

圖 35：RC 緩沖器對(duì)開(kāi)關(guān)波形和共模電流的影響

添加 RC 緩沖器將降低 5dB 左右的高頻范圍內(nèi)的共模電流。

上升沿干凈無(wú)振鈴下降沿變化不大

圖 36：兩種解決方案的開(kāi)關(guān)波形：RC 緩沖器 8.2Ω & 330p 和 33Ω R啟動(dòng)

圖 37 ：添加snubber 和 R boot時(shí)的效率差異

可以看出，Rboot 對(duì)效率的影響很小，除了在較高負(fù)載時(shí)效率下降很小。

RC 緩沖器對(duì)效率的影響更大，尤其是在中低負(fù)載范圍內(nèi)，但仍然只有 1~2% max，這是可以接受的。應(yīng)該注意的是，在更高開(kāi)關(guān)頻率和更高輸入電壓下工作的降壓轉(zhuǎn)換器在應(yīng)用緩沖器時(shí)會(huì)顯示出更高的損耗。

7. 降壓轉(zhuǎn)換器布局技巧

良好的降壓轉(zhuǎn)換器布局始于良好的關(guān)鍵組件放置位置規(guī)劃。

1. 在對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中，選擇采用小型、低電感倒裝芯片封裝的降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 38：不同的封裝會(huì)給出不同的輸入環(huán)路面積和雜散電感。

2. 確定開(kāi)關(guān)回路的 VIN 和 GND 節(jié)點(diǎn)，并在這些節(jié)點(diǎn)之間盡可能靠近放置不同尺寸的輸入電容，最靠近節(jié)點(diǎn)的最小電容。該輸入開(kāi)關(guān)環(huán)路承載非常高的 dI/dt 電流，應(yīng)盡可能小。

圖 39：不同輸入電容布局的布局示例

3. 將輸出電容接地放置在不與輸入電容開(kāi)關(guān)回路重疊的區(qū)域：這可能會(huì)在輸出電壓中產(chǎn)生額外的高頻噪聲。

圖 40

4、開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和BOOT管腳的走線帶有很高的dV/dt電壓，會(huì)引起一定的電場(chǎng)輻射，所以走線的覆銅面積要保持相對(duì)較小，并遠(yuǎn)離其他敏感信號(hào)。

5、轉(zhuǎn)換器小信號(hào)部分應(yīng)遠(yuǎn)離大功率開(kāi)關(guān)部分。小信號(hào)部分的接地最好是干凈的低噪聲接地點(diǎn)。請(qǐng)勿在 VIN 去耦電流或輸出紋波電流流過(guò)的區(qū)域?qū)⑿⌒盘?hào)部分接地，參見(jiàn)圖 41 左側(cè)。

圖 41

6. 不要在關(guān)鍵回路的元件布局中使用熱釋放，它們會(huì)產(chǎn)生額外的電感

參見(jiàn)圖 41 右側(cè)。

7. 使用地平面時(shí)，盡量使這些平面保持在輸入開(kāi)關(guān)環(huán)路下方。任何在該區(qū)域切割接地層的走線都會(huì)降低接地層的有效性。信號(hào)過(guò)孔會(huì)在接地層上形成孔洞，同時(shí)也會(huì)增加阻抗。

8、過(guò)孔可以用來(lái)連接去耦電容和IC地到地平面，可以縮短環(huán)路。但請(qǐng)記住，過(guò)孔電感的范圍為 0.1~0.5nH（取決于過(guò)孔厚度和過(guò)孔長(zhǎng)度），并且可能會(huì)增加總環(huán)路電感。應(yīng)使用多個(gè)過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)較低阻抗的連接。

圖 42

在上面的示例中，底部接地層的額外過(guò)孔對(duì)減少 Cin 環(huán)路沒(méi)有太大幫助。但在頂層環(huán)路較長(zhǎng)的其他情況下，通過(guò)通孔到接地層來(lái)減少環(huán)路面積是非常有效的。

9. 請(qǐng)注意，使用接地層作為回路電流的返回會(huì)使接地層產(chǎn)生噪聲。您可以使用局部接地層進(jìn)行隔離，并將其連接到噪聲最低的點(diǎn)處的主接地。

10. 接地層越靠近輻射環(huán)路，其環(huán)路屏蔽效果就越強(qiáng)。在多層 PCB 中，將實(shí)心接地層放置在第 2 層，直接位于承載高功率電流的頂層下方。

11. 非屏蔽電感會(huì)產(chǎn)生大量的雜散磁場(chǎng)，這些雜散磁場(chǎng)會(huì)輻射到其他回路或?yàn)V波元件中。對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用應(yīng)使用半屏蔽或全屏蔽電感，敏感信號(hào)和環(huán)路應(yīng)遠(yuǎn)離電感。

8. 您可以自己構(gòu)建的簡(jiǎn)單 EMI 探測(cè)工具

測(cè)量 EMI 合規(guī)性通常意味著您必須將原型產(chǎn)品帶到 EMI 設(shè)施進(jìn)行測(cè)試。這些通常是消聲室中的 3m 站點(diǎn)，具有使用天線和昂貴的測(cè)量接收器的特殊測(cè)量設(shè)置。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示了完整設(shè)置的最終結(jié)果，但從這些 3m 測(cè)量中找出特定輻射頻率發(fā)射的根本原因并不總是那么容易。

可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中對(duì)原型產(chǎn)品進(jìn)行一些基本的 EMI 測(cè)量，并單獨(dú)檢查系統(tǒng)模塊。這些測(cè)量通常是近場(chǎng)（測(cè)量距離 《 0.16λ），因此要測(cè)量源自電流回路的輻射，您需要一個(gè)小型環(huán)形天線來(lái)測(cè)量高頻磁場(chǎng)。使用一根細(xì)長(zhǎng)的 50Ω 同軸電纜可以很容易地自己制作一個(gè)小型電屏蔽環(huán)形天線：參見(jiàn)圖 43。

圖 43：環(huán)形天線結(jié)構(gòu)

環(huán)形天線可以連接到頻譜分析儀，通過(guò)在應(yīng)用程序的 PCB 上移動(dòng)環(huán)形天線，您可以看到哪些區(qū)域會(huì)發(fā)射大量高頻磁場(chǎng)。您還可以將環(huán)形天線連接到示波器（以 50Ω 端接），示波器將顯示 PCB 某些區(qū)域的開(kāi)關(guān)噪聲水平。通過(guò)將環(huán)路保持在固定的距離和位置，并對(duì)電路/PCB 環(huán)路進(jìn)行一些更改，您可以檢查輻射噪聲水平是否會(huì)增加或減少。

由于電源線的輻射對(duì) EMI 水平有很大影響，因此您還可以測(cè)量布線中的高頻電流。并非所有電流探頭都有足夠的帶寬來(lái)突出 EMI，但 EMI 鐵氧體磁芯上的幾個(gè)繞組將形成一個(gè)高頻電流互感器。構(gòu)造類(lèi)似于環(huán)路工具，但現(xiàn)在環(huán)路圍繞鐵氧體磁芯轉(zhuǎn)了 3 圈。參見(jiàn)圖 44。

圖 44：高頻電流探頭結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在可以通過(guò)將電纜穿過(guò)鐵氧體磁芯來(lái)測(cè)量電纜中的高頻電流。電流互感器輸出可以連接到頻譜分析儀或示波器（端接 50Ω）。

為了避免共模電流從被測(cè)設(shè)備流到測(cè)量設(shè)備，建議在電纜中添加一個(gè)共模扼流圈：這可以通過(guò)在電纜中放置一個(gè)帶有幾個(gè)繞組的夾式 EMI 磁芯來(lái)實(shí)現(xiàn)。分析儀。

圖 45

將正極和負(fù)極電源線沿相同方向通過(guò)磁芯將測(cè)量電源線中的共模電流。反轉(zhuǎn)一根線的方向?qū)y(cè)量差模電流，參見(jiàn)圖 45。

另一個(gè)方便的工具是電流嗅探器。它是一種開(kāi)芯的微型電流互感器，見(jiàn)圖 46。它可用于測(cè)量銅跡線或元件引腳中的高頻電流。

圖 46：電流吸槍探頭結(jié)構(gòu)

建立自己有點(diǎn)困難。您可以從一個(gè)小的兩孔鐵氧體磁珠研磨開(kāi)芯并添加大約 4~5 個(gè)繞組，然后將繞組連接到同軸電纜。最好將磁芯放置在屏蔽開(kāi)口中。使用此工具時(shí)，您應(yīng)該知道它也可以拾取一些電場(chǎng)。要確定測(cè)量結(jié)果是磁場(chǎng)拾取還是電場(chǎng)拾取，可以將工具在跡線上旋轉(zhuǎn) 90 度。磁場(chǎng)測(cè)量將幾乎減少到零，電場(chǎng)拾取幾乎不會(huì)改變。

圖 47：當(dāng)前吸槍探頭的使用

電流嗅探探頭可讓您檢查各種高頻電流如何流過(guò)電路板和元件引線。它甚至可以顯示電流如何流過(guò)銅平面：您會(huì)發(fā)現(xiàn)銅平面中的高頻電流會(huì)選擇最短路徑。也可以測(cè)量接地層中的渦流。

本文檔中的所有測(cè)量均使用此處描述的工具進(jìn)行。

9. 結(jié)論

解決 EMI 可能很復(fù)雜，尤其是在不知道輻射源的完整系統(tǒng)中。對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的關(guān)鍵高頻信號(hào)和環(huán)路、元件和更高頻率下的布局行為有一些基本知識(shí)，并使用一些簡(jiǎn)單的自制工具，可以排除 EMI 故障、查明輻射源并找到低成本解決方案以減少輻射。

降壓轉(zhuǎn)換器的主要輻射源是轉(zhuǎn)換器輸入開(kāi)關(guān)回路，而這個(gè)回路應(yīng)該是第一個(gè)焦點(diǎn)。具有不同封裝結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器可以在尋找最佳元件放置以實(shí)現(xiàn)最低 EMI 輻射方面發(fā)揮作用。

降低轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)速度有助于降低 EMI，但這不應(yīng)該是降低 EMI 的首要措施。只要接地層是實(shí)心的并且盡可能靠近輻射環(huán)路，通過(guò)接地層進(jìn)行屏蔽是有效的。輸入和輸出電源引線的濾波有助于降低傳導(dǎo) EMI 水平。