DCDC BUCK開(kāi)關(guān)電源中的EMI輻射干擾分析

下面將示范在Buck轉(zhuǎn)換器的EMI設(shè)計(jì)中的不同方法所導(dǎo)致的影響。示范所使用的IC是RT7297CHZSP，一款800kHz工作頻率、3A輸出能力的電流模式Buck轉(zhuǎn)換器，采用PSOP-8封裝。測(cè)試中的電路工作在12V輸入下，輸出為3.3V/3A，測(cè)試所用電路顯示在圖12中。

測(cè)試所用的板子有兩個(gè)版本，一個(gè)具有完整的地銅箔層，一個(gè)沒(méi)有。板上設(shè)置了多種可選配置，如LC輸入濾波器，不同的輸入電容放置位置，可選的Rboot、RC緩沖電路和輸出端LC濾波器。具有這些不同選項(xiàng)的PCB設(shè)計(jì)顯示在圖13中。

測(cè)試設(shè)備的配置如圖 14 所示。

當(dāng)被測(cè)試對(duì)象被放在實(shí)驗(yàn)桌上時(shí)，其PCB上的電流回路和導(dǎo)線就會(huì)向周圍環(huán)境輻射出高頻能量，這些輻射信號(hào)又會(huì)自己找到路徑返回到測(cè)試對(duì)象上，并以高頻共模電流的形式出現(xiàn)在供電線上。這些供電線上的高頻共模電流會(huì)和板上的電流結(jié)合在一起，可被用著輻射狀況的指示信號(hào)。

轉(zhuǎn)換器的電源輸入來(lái)自于三只串聯(lián)的鋰離子電池，電壓大約為12V，這就使它們和實(shí)驗(yàn)室里的其他設(shè)備沒(méi)有了直接聯(lián)系。一只電解電容跨接在電池的引線上，這可消除電池電感可能導(dǎo)致的諧振問(wèn)題。轉(zhuǎn)換器的負(fù)載是一只并聯(lián)了10μFMLCC電容的1Ω電阻，這可為之提供3A的負(fù)載，同時(shí)對(duì)高頻信號(hào)的阻抗又是極低的。

輸入線靠電池一側(cè)的接地端通過(guò)一只100?的電阻和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的地連接在一起，這就給整個(gè)電路提供了一個(gè)參考地，其阻抗很像EMC測(cè)試中的LISN網(wǎng)絡(luò)。

自制的EMI電流測(cè)試工具可被安置在電源輸入線和輸出線上。在本文中，我們是用示波器來(lái)觀看測(cè)量到的高頻電流信號(hào)，它能顯示出轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)切換期間的高頻小信號(hào)。對(duì)于這種重復(fù)出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)切換信號(hào)而言，使用示波器的FFT功能進(jìn)行計(jì)算并看到測(cè)量電流中的各種頻率成分是可能的。這種方法雖然不如頻譜分析儀那么精確，但仍然不失為一種非常實(shí)用的工具，可在簡(jiǎn)單電路的分析中提供判斷依據(jù)。

輸入電容的放置

實(shí)驗(yàn) 1 ：將 CIN 放置在遠(yuǎn)離 IC 的地方。

圖 16 中的 PCB 布局呈現(xiàn)了一種很差的輸入電容放置方法，這將在切換回路中引入很大的寄生電感。（此
布局中還有額外的間隙以增加回路的面積。）

我們首先通過(guò)測(cè)量輸入線上的共模電流來(lái)對(duì)輻射噪聲做一次常規(guī)的檢查。

從圖 17 右側(cè)顯示的波形可以看到，共模電流是出奇地大，而且在很寬的整個(gè)頻段上都可看到。

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我們可以用環(huán)形天線在PCB上方搜索輻射場(chǎng)以發(fā)現(xiàn)共模電流的源頭所在。當(dāng)環(huán)形天線移動(dòng)到輸入環(huán)路的上方時(shí)，示波器在低頻至高達(dá)200MHz的頻段上顯示出巨大的輻射噪聲，參見(jiàn)圖18。我們也同時(shí)看到開(kāi)關(guān)切換波形上出現(xiàn)很高的過(guò)沖和振鈴信號(hào)，這些信號(hào)實(shí)際上已經(jīng)超過(guò)了IC的耐壓規(guī)格。這些狀況說(shuō)明錯(cuò)誤的輸入電容放置位置可以導(dǎo)致很高的輻射和巨大的振鈴信號(hào)

假如將同樣的測(cè)試在背面為地線層的板子上進(jìn)行，我們將看到這種擁有地線層的大型CIN回路帶來(lái)的輻射要遠(yuǎn)低于單面板上的結(jié)果，開(kāi)關(guān)切換所帶來(lái)的振鈴信號(hào)也要低一些。參見(jiàn)圖19。

大回路上的電流形成的高頻磁場(chǎng)會(huì)在地線層里生成渦旋電流，由渦旋電流所形成的磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)的方向是相反的，從而可以抵消一部分原磁場(chǎng)。地線層離回路越近，抵消的效果就越好。

實(shí)驗(yàn) 2 ：將 CIN 靠近 IC 放置

我們繼續(xù)使用單面 PCB，并將 CIN 放置到靠近 IC 的地方，這樣就形成了比較小的 CIN 回路。參見(jiàn)圖 20。

開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中的過(guò)沖和振鈴信號(hào)的幅度都降低了大約 50%，輻射的強(qiáng)度下降了大約 10dB，頻帶寬度擴(kuò)展到了 300MHz。

上述實(shí)驗(yàn)最重要的結(jié)論是確認(rèn)了更好地放置 CIN 可以改善開(kāi)關(guān)切換波形上的過(guò)沖和振鈴信號(hào)的幅度，還能降低高頻輻射。

在RT7297CHZSP中，芯片底部的散熱焊盤是沒(méi)有和晶圓內(nèi)核連接在一起的，所以在PCB布局中將銅箔和散熱焊盤連接在一起并不能縮短CIN回路。它的上橋MOSFET和下橋MOSFET通過(guò)多根邦定線連接到VIN和GND端子，因而可以通過(guò)這兩個(gè)端子形成最短的回路。

實(shí)驗(yàn) 3 ：直接在 IC 的 VIN 端子和 GND 端子之間增加額外的 10nF 小電容

圖 22 顯示出了電容的放置方法，現(xiàn)在的 CIN 回路就通過(guò) IC 的引腳、內(nèi)部的邦定線和 0603 規(guī)格的電容形成了。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，開(kāi)關(guān)切換波形上的過(guò)沖實(shí)際上已經(jīng)消失了，但還存在低頻的振鈴信號(hào)。為了看清信號(hào)，測(cè)試天線也不得不再靠近PCB一些，其結(jié)果顯示高頻噪聲已經(jīng)消失，但在大約25MHz的地方出現(xiàn)了一個(gè)大的低頻尖峰。

這種低頻諧振常因不同諧振回路中的兩只電容因并聯(lián)而發(fā)生諧振所導(dǎo)致，這種問(wèn)題常常發(fā)生在EMI問(wèn)題解決過(guò)程中，其回路和諧振都需要被定位才能排除。在此案例中，諧振發(fā)生在10nF電容和4nH的寄生電感上（大約3mm的導(dǎo)體長(zhǎng)度），它們形成了大約25MHz的諧振信號(hào)。此諧振回路由0603電容、IC引腳、邦定線和PCB銅箔路徑構(gòu)成，其長(zhǎng)度大約為3mm。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是在10nF小電容的旁邊并聯(lián)一個(gè)具有稍高ESR的22μF1206電容。采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化了的CIN放置方法的PCB布局設(shè)計(jì)如下圖24所示。

采用了上述的方案以后，單面板上的開(kāi)關(guān)切換波形上的過(guò)沖已經(jīng)完全消失，經(jīng)環(huán)形天線檢測(cè)到的輻射噪聲也很低，它在經(jīng)過(guò) FFT 運(yùn)算后得到的波形幾乎都在本底噪聲水平上。

假如我們?cè)谶@個(gè)時(shí)候再用高頻電流探頭對(duì)輸入線上的共模電流進(jìn)行測(cè)量，我們將可看到共模噪聲已經(jīng)下降很多。與第一次測(cè)量的結(jié)果相比，某些頻率上的差異多于30dB，說(shuō)明整個(gè)板子的輻射水平已經(jīng)很低了。

審核編輯：湯梓紅