BUCK電路EMI輻射干擾分析實例

今天分享一個開關(guān)電源中EMI輻射干擾的分析實例。

下面將示范在Buck轉(zhuǎn)換器的EMI設(shè)計中的不同方法所導(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。測試中的電路工作在12V輸入下，輸出為3.3V/3A，測試所用電路顯示在圖12中。

測試所用的板子有兩個版本，一個具有完整的地銅箔層，一個沒有。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。具有這些不同選項的PCB設(shè)計顯示在圖13中。

測試設(shè)備的配置如圖 14 所示。

當(dāng)被測試對象被放在實驗桌上時，其PCB上的電流回路和導(dǎo)線就會向周圍環(huán)境輻射出高頻能量，這些輻射信號又會自己找到路徑返回到測試對象上，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。

轉(zhuǎn)換器的電源輸入來自于三只串聯(lián)的鋰離子電池，電壓大約為12V，這就使它們和實驗室里的其他設(shè)備沒有了直接聯(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)致的諧振問題。轉(zhuǎn)換器的負載是一只并聯(lián)了10μFMLCC電容的1Ω電阻，這可為之提供3A的負載，同時對高頻信號的阻抗又是極低的。

輸入線靠電池一側(cè)的接地端通過一只100?的電阻和實驗臺的地連接在一起，這就給整個電路提供了一個參考地，其阻抗很像EMC測試中的LISN網(wǎng)絡(luò)。

自制的EMI電流測試工具可被安置在電源輸入線和輸出線上。在本文中，我們是用示波器來觀看測量到的高頻電流信號，它能顯示出轉(zhuǎn)換器開關(guān)切換期間的高頻小信號。對于這種重復(fù)出現(xiàn)的開關(guān)切換信號而言，使用示波器的FFT功能進行計算并看到測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用的工具，可在簡單電路的分析中提供判斷依據(jù)。

輸入電容的放置

實驗 1 ：將 CIN 放置在遠離 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。）

我們首先通過測量輸入線上的共模電流來對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，而且在很寬的整個頻段上都可看到。

我們可以用環(huán)形天線在PCB上方搜索輻射場以發(fā)現(xiàn)共模電流的源頭所在。當(dāng)環(huán)形天線移動到輸入環(huán)路的上方時，示波器在低頻至高達200MHz的頻段上顯示出巨大的輻射噪聲，參見圖18。我們也同時看到開關(guān)切換波形上出現(xiàn)很高的過沖和振鈴信號，這些信號實際上已經(jīng)超過了IC的耐壓規(guī)格。這些狀況說明錯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

假如將同樣的測試在背面為地線層的板子上進行，我們將看到這種擁有地線層的大型CIN回路帶來的輻射要遠低于單面板上的結(jié)果，開關(guān)切換所帶來的振鈴信號也要低一些。參見圖19。

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

實驗 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。參見圖 20。

開關(guān)切換過程中的過沖和振鈴信號的幅度都降低了大約 50%，輻射的強度下降了大約 10dB，頻帶寬度擴展到了 300MHz。

上述實驗最重要的結(jié)論是確認了更好地放置 CIN 可以改善開關(guān)切換波形上的過沖和振鈴信號的幅度，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通過多根邦定線連接到VIN和GND端子，因而可以通過這兩個端子形成最短的回路。

實驗 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 IC 的引腳、內(nèi)部的邦定線和 0603 規(guī)格的電容形成了。

從實驗結(jié)果來看，開關(guān)切換波形上的過沖實際上已經(jīng)消失了，但還存在低頻的振鈴信號。為了看清信號，測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，這種問題常常發(fā)生在EMI問題解決過程中，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)體長度），它們形成了大約25MHz的諧振信號。此諧振回路由0603電容、IC引腳、邦定線和PCB銅箔路徑構(gòu)成，其長度大約為3mm。解決這個問題的辦法是在10nF小電容的旁邊并聯(lián)一個具有稍高ESR的22μF1206電容。采用經(jīng)過優(yōu)化了的CIN放置方法的PCB布局設(shè)計如下圖24所示。

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

假如我們在這個時候再用高頻電流探頭對輸入線上的共模電流進行測量，我們將可看到共模噪聲已經(jīng)下降很多。與第一次測量的結(jié)果相比，某些頻率上的差異多于30dB，說明整個板子的輻射水平已經(jīng)很低了。

審核編輯 ：李倩