在設(shè)計(jì)開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，電磁兼容問題通常總是要在設(shè)計(jì)完成以后的測(cè)試階段才會(huì)遇到。假如沒有在設(shè)計(jì)的第一階段就考慮到電磁兼容性問題，要在最后的環(huán)節(jié)再來降低其影響就會(huì)很困難，花費(fèi)也會(huì)很高。所以，為了確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程順暢無阻，能夠得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，最好的做法是在設(shè)計(jì)一開始的時(shí)候就開始考慮這個(gè)問題。在所有要考慮的因素中，元件選擇和PCB布局設(shè)計(jì)是獲得最佳EMI性能的關(guān)鍵。 

 

 

造成EMI問題的輻射源有兩類：交變電場(chǎng)（高阻），交變磁場(chǎng)（低阻）。非隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器具有阻抗很低的節(jié)點(diǎn)和環(huán)路（遠(yuǎn)低于自由空間的阻抗377Ω，此值為真空磁導(dǎo)率µ。和真空中的光速C。的乘積，也被稱為自由空間的本質(zhì)阻抗——譯注），因而Buck架構(gòu)DC/DC轉(zhuǎn)換器中主要的輻射源通常是磁場(chǎng)。

 

磁場(chǎng)輻射是由小型電流環(huán)中的高頻電流形成的。電流環(huán)所生成的高頻磁場(chǎng)會(huì)在離開環(huán)路大約0.16λ以后逐漸轉(zhuǎn)換為電磁場(chǎng)，由此形成的場(chǎng)強(qiáng)大約為 ：

 

 

其中，f是信號(hào)的頻率，單位為Hz；A是電流環(huán)路的面積，單位為m²；I是電流環(huán)中的電流幅值，單位為A；R是測(cè)量點(diǎn)距離環(huán)路的距離，單位為m。

 

舉例而言，一個(gè)1cm²的電流環(huán)，其中的電流為1mA，電流變化頻率為100MHz，則距離此電流環(huán)3m處的場(chǎng)強(qiáng)為4.4µV/m，或說是12.9dBµV。

 

下圖1顯示了一個(gè)流過1mA電流的1cm²電流環(huán)所形成的輻射強(qiáng)度與電流變化頻率之間的關(guān)系，圖中綠線是標(biāo)準(zhǔn)容許的3m距離上的輻射強(qiáng)度閾值。

 

 

由圖可見，由1mA電流在1cm²環(huán)路中所形成的輻射并不容易超出規(guī)格的限制?，F(xiàn)實(shí)中造成輻射超標(biāo)的原因常常是應(yīng)該極小化的環(huán)路變成了大的環(huán)路，或者是附加在線路上的導(dǎo)線形成了多余的輻射。這些大回路或?qū)Ь€所形成的天線效應(yīng)將在總的輻射中發(fā)揮主要的作用。

 

Buck架構(gòu)DC/DC轉(zhuǎn)換器中存在兩個(gè)電流發(fā)生劇烈變化的主回路 ：

 

當(dāng)上橋MOSFET Q1導(dǎo)通的時(shí)候，電流從電源流出，經(jīng)Q1和L1后進(jìn)入輸出電容和負(fù)載，再經(jīng)地線回流至電源輸入端。在此過程中，電流中的交變成分會(huì)流過輸入電容和輸出電容。這里所說的電流路徑如圖2中的紅線所示，它被標(biāo)注為I1。

 

當(dāng)Q1截止以后，電感電流還會(huì)繼續(xù)保持原方向流動(dòng)，而同步整流開關(guān)MOSFET Q2將在此時(shí)導(dǎo)通，這時(shí)的電流經(jīng)Q2、L1、輸出電容流動(dòng)并經(jīng)地線回流至Q2，其回路如圖2中藍(lán)線所示，它被標(biāo)注為I2。

 

電流I1和I2都是不連續(xù)的，這意味著它們?cè)诎l(fā)生切換的時(shí)候都存在陡峭的上升沿和下降沿，這些陡峭的上升沿和下降沿具有極短的上升和下降時(shí)間，因而存在很高的電流變化速度dI/dt，其中就必然存在很多高頻成分。

 

 

在上面所述的回路中，電流環(huán)I1和I2共同共享了自開關(guān)節(jié)點(diǎn)→電感→輸出電容→地→Q2的源極這一段路徑。I1和I2合成起來后就形成了一個(gè)相對(duì)平緩、連續(xù)的鋸齒狀波形，由于其中不存在電流變化率dI/dt極高的邊沿，其包含的高頻成分就要少一些。

 

從電磁輻射的角度來看，圖3中存在陰影的A1區(qū)域是存在高電流變化率dI/dt的回路部分，這個(gè)回路將生成最多的高頻成分，因而在Buck轉(zhuǎn)換器的EMI設(shè)計(jì)中是需要被重點(diǎn)考慮的最關(guān)鍵部分。圖中A2區(qū)域的電流變化率dI/dt就沒有A1區(qū)域的高，因而生成的高頻噪聲也就比較少。

 

 

當(dāng)進(jìn)行Buck轉(zhuǎn)換器的PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)，A1區(qū)域的面積就應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)得盡可能地小。關(guān)于這一點(diǎn)，可以參考第7章的PCB布局設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)要點(diǎn)。

 

 

在理想狀況下，輸入、輸出電容對(duì)于Buck轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電流來說都具有極低的阻抗。但在實(shí)際上，電容都存在ESR和ESL，它們都增加了電容的阻抗，并且導(dǎo)致上面出現(xiàn)額外的高頻電壓跌落。這種電壓跌落將在電源供應(yīng)線路上和負(fù)載連接電路上形成相應(yīng)的電流變化，見圖4。

 

 

由于Buck轉(zhuǎn)換器輸入電流的不連續(xù)特性和實(shí)際為轉(zhuǎn)換器供電的電源線通常都很長(zhǎng)的緣故，輸入回路A3所造成的輻射也可能是很可觀的，并且可導(dǎo)致超出規(guī)格的傳導(dǎo)輻射（在150kHz~30MHz頻段），不能通過電磁兼容（EMC）的傳導(dǎo)測(cè)試檢驗(yàn)。

 

為了降低輸入電容CIN造成的電壓跌落，可在靠近Buck IC的地方放置多種不同尺寸的低ESR的MLCC電容，例如可將1206封裝的2×10µF和0603或0402封裝的22nF~100nF電容結(jié)合起來使用。為了降低輸入回路的噪聲，強(qiáng)烈建議在輸入線上添加額外的LC濾波器。當(dāng)使用純電感作為L(zhǎng)2時(shí)，就有必要添加電解電容C3以抑制電源輸入端可能出現(xiàn)的振鈴信號(hào)，確保輸入電源的穩(wěn)定。

 

為了對(duì)輸出進(jìn)行濾波，也要使用多種不同尺寸的MLCC電容作為輸出電容Cout。小尺寸的0603或0402的22nF~100nF的電容可以很好地阻止源于開關(guān)切換節(jié)點(diǎn)的高頻噪聲經(jīng)由電感L1的寄生電容耦合到輸出端。額外增加的高頻磁珠可防止輸出回路變成有效的環(huán)形天線，但需要注意的是這方法可能使轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性和負(fù)載調(diào)整特性變差。假如應(yīng)用中的負(fù)載在這方面有嚴(yán)格要求，那就不要使用磁珠，可以直接將轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近負(fù)載，通過對(duì)銅箔的優(yōu)化布置使環(huán)路的面積達(dá)到最小化。

 

 

 

假如通過PCB布局和濾波設(shè)計(jì)的優(yōu)化仍然不能讓一個(gè)Buck轉(zhuǎn)換電路的輻射水平低于需要的水平，那就只能在降低轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換速度上想辦法，這對(duì)降低其輻射水平是很有幫助的。

 

為了理解這能導(dǎo)致多大程度的改進(jìn)，我們需要對(duì)不連續(xù)電流脈沖的高頻成分進(jìn)行一番探討。圖6左側(cè)顯示的是簡(jiǎn)化為梯形了的電流波形，其周期為TPERIOD，脈沖寬度為TW，脈沖上升/下降時(shí)間為TRISE。從頻域來看此信號(hào)，其中含有基頻成分和很多高次諧波成分，通過傅里葉分析可以知道這些高頻成分的幅度和脈沖寬度、上升/下降時(shí)間之間的關(guān)系，這種關(guān)系被表現(xiàn)在圖6的右側(cè)。

 

 

圖6中的頻率值是基于一個(gè)具有800kHz頻率的開關(guān)信號(hào)而得出的，該信號(hào)的脈沖寬度為320ns，具有10ns的上升/下降時(shí)間。

 

EMI輻射問題常常發(fā)生在50MHz~300MHz頻段。通過增加上升和下降時(shí)間可將fR的位置向低頻方向移動(dòng)，而更高頻率信號(hào)的強(qiáng)度將以40dB/dec的速度快速降低，從而改善其輻射狀況。在低頻段，較低的上升和下降速度所導(dǎo)致的改善是很有限的。

 

在自舉電路上增加串聯(lián)電阻

 

開關(guān)切換波形的上升時(shí)間取決于上橋MOSFET Q1的導(dǎo)通速度。Q1是受浮動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的，該驅(qū)動(dòng)器的供電來自于自舉電容Cboot。在集成化的Buck轉(zhuǎn)換器中，Cboot由內(nèi)部的穩(wěn)壓器進(jìn)行供電，其電壓通常為4V~5V。見圖7左側(cè)。

 

 

通過降低上橋MOSFET開關(guān)的導(dǎo)通速度可使Buck轉(zhuǎn)換器開關(guān)波形和電流脈沖的上升時(shí)間增加，這可通過給Cboot增加一只串聯(lián)電阻Rboot來實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。Rboot的取值與上橋MOSFET的尺寸有關(guān)，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，5~10Ω就足夠了。對(duì)于較小的MOSFET，它們具有較高的Rdson，較大的Rboot值是容許的。在高占空比的應(yīng)用中，太大的Rboot值可能導(dǎo)致Cboot充電不足，甚至可能導(dǎo)致電流檢測(cè)電路的不穩(wěn)定。另外，較低的MOSFET導(dǎo)通速度也將增加開關(guān)損耗，從而導(dǎo)致效率的下降。

 

在MOSFET外置的設(shè)計(jì)中，電阻可被串接到上橋MOSFET的柵極上，這就可以同時(shí)增加上橋的導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間。

 

當(dāng)上橋MOSFET Q1被關(guān)斷的時(shí)候，電感電流會(huì)對(duì)Q1的寄生輸出電容進(jìn)行充電，同時(shí)對(duì)Q2的寄生輸出電容進(jìn)行放電，直至開關(guān)切換節(jié)點(diǎn)電位變得低于地電位并使Q2的體二極管導(dǎo)通。因此，下降時(shí)間基本上是由電感峰值電流和開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的總寄生電容所決定的。

 

 

圖8顯示出了一個(gè)常規(guī)設(shè)計(jì)中的Buck轉(zhuǎn)換器IC中的寄生元件。

 

這些寄生電容是由MOSFET的Coss和相對(duì)于基底之間的電容共同構(gòu)成的，另外還有寄生電感存在于從IC引腳到晶圓內(nèi)核之間的連接線上，這些寄生元件和PCB布局所導(dǎo)致的寄生電感與輸入濾波電容上的ESL一起將導(dǎo)致開關(guān)切換波形上的高頻振鈴信號(hào)。當(dāng)MOSFET Q1導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)信號(hào)上升沿的振鈴信號(hào)主要就由Q2的Coss和MOFET開關(guān)切換路徑上的總寄生電感（LpVIN + LpGND+ LpLAYOUT + ESLCIN）導(dǎo)致。當(dāng)MOFET Q1截止時(shí)，開關(guān)節(jié)點(diǎn)信號(hào)下降沿的振鈴信號(hào)主要由Q1的Coss和下橋MOSFET源極到地之間的寄生電感（LpGND）導(dǎo)致。

 

 

圖9顯示了一個(gè)具有快速上升時(shí)間和下降時(shí)間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，其上升沿和下降沿都存在振鈴信號(hào)。由于寄生電感中的儲(chǔ)能等于½?I2?Lp，所以振鈴信號(hào)的幅度將隨負(fù)載電流的增加而增加。此信號(hào)的頻率范圍通常在200~400MHz之間，可導(dǎo)致高頻EMI輻射。過度的振鈴信號(hào)通常意味著較大的寄生電感，說明需要對(duì)PCB布局設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查、修正，以便對(duì)環(huán)路較大或?qū)IN和/或地線路太窄的問題予以修正。元件的封裝也會(huì)影響振鈴狀況，打線方式的封裝會(huì)有比晶圓倒裝方式的封裝更大的寄生電感存在，因?yàn)榘疃ň€的電感會(huì)大于焊點(diǎn)的電感，其表現(xiàn)就會(huì)更差一些。

 

RC緩沖抑制電路

 

添加RC緩沖電路可有效地抑制振鈴現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)造成開關(guān)切換損耗的增加。

 

RC緩沖電路應(yīng)當(dāng)放置在緊靠開關(guān)節(jié)點(diǎn)和功率地處。在使用外部MOSFET開關(guān)的Buck轉(zhuǎn)換器中，RC緩沖電路應(yīng)當(dāng)直接跨過下橋MOSFET的漏極和源極放置。圖10示范了RC緩沖電路的放置位置。

 

 

緩沖電阻Rs的作用是對(duì)寄生LC振蕩電路的振蕩過程施加足夠的抑制能力，其取值取決于意欲施加的抑制強(qiáng)度和L、C寄生元件的參數(shù)，可由下式予以確定 ：

 

 

其中，ξ是抑制因子。通常，ξ的取值在0.5（輕微抑制）到1（重度抑制）之間。寄生參數(shù)Lp和Cp的值通常是未知的，但可通過下述方法進(jìn)行測(cè)量 ：

 

在信號(hào)上升沿測(cè)量原始振鈴信號(hào)的頻率fRING。

在開關(guān)節(jié)點(diǎn)和地之間增加一個(gè)小電容，這可讓振鈴信號(hào)的頻率得到降低。持續(xù)增加電容，直至振鈴信號(hào)的頻率降低到原始振鈴頻率的50%。

降低到50%的振鈴信號(hào)頻率意味著總諧振電容的大小是原始電容量的4倍。因此，原始電容Cp的值便是新增電容量的1/3。

這樣就能求得寄生電感Lp的值 ：

 

 

RC緩沖電路中的串聯(lián)電容Cs需要足夠大，以便讓抑制電阻能在電路諧振期間表現(xiàn)出穩(wěn)定的諧振抑制效果。如果這個(gè)電容的值太大，它在每個(gè)開關(guān)周期中的充電和放電過程就會(huì)導(dǎo)致過大的功率消耗。所以，Cs的取值通常以電路寄生電容的值的3~4倍為宜。

 

除了可以對(duì)諧振產(chǎn)生抑制，RC平滑抑制電路還可以輕微地降低開關(guān)切換波形上升和下降的速度。除此以外，對(duì)平滑抑制電容的充電和放電過程還會(huì)導(dǎo)致開關(guān)狀態(tài)變換期間出現(xiàn)額外的開關(guān)切換電流尖峰，這可在低頻區(qū)域引起新的EMI問題。

 

當(dāng)使用了RC平滑抑制電路以后，應(yīng)當(dāng)確保要對(duì)電路的總功率損失進(jìn)行檢查。轉(zhuǎn)換器的效率是必然會(huì)下降的，這在開關(guān)切換工作頻率很高和輸入電壓很高的時(shí)候表現(xiàn)尤甚。

 

RL緩沖抑制電路

 

一種不容易想到的抑制開關(guān)回路振鈴信號(hào)的方法是在諧振電路上增加一個(gè)串聯(lián)的RL緩沖抑制電路，這種做法如圖11所示。添加此電路的目的是要在諧振電路中引入少量的串聯(lián)阻抗，但卻足夠提供部分抑制作用?；陂_關(guān)切換電路的總阻抗總是很低的事實(shí)，抑制電阻Rs可以用得很小，大概是1Ω或是更小的量級(jí)。電感Ls的選擇依據(jù)是能在比諧振頻率低的頻段提供很低的阻抗，實(shí)際上就是要在低頻段上對(duì)抑制電阻提供短路作用。由于振鈴信號(hào)的頻率通常總是很高，需要使用的電感也就可以很小，大概就是幾個(gè)nH的量級(jí)，甚至可用幾個(gè)mm長(zhǎng)的PCB銅箔路徑代替，這樣做并不會(huì)導(dǎo)致明顯增加的環(huán)路面積。也有可能用很小的磁珠來替代這個(gè)電感，讓它和Rs并聯(lián)在一起。當(dāng)這么做的時(shí)候，這個(gè)磁珠應(yīng)在低于諧振頻率的低頻上具有很低的阻抗，同時(shí)還要具有足夠的電流負(fù)載能力，以便能夠承載輸入端的有效電流。

 

 

RL緩沖抑制電路最好是被放置在緊靠功率級(jí)的輸入節(jié)點(diǎn)上。RL抑制電路帶來的一個(gè)不足是它會(huì)在高頻區(qū)域?yàn)殚_關(guān)回路引入一個(gè)阻抗，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生快速變換的時(shí)候，切換中的電流脈沖會(huì)在電阻Rs上形成一個(gè)短時(shí)的電壓毛刺，從而在功率級(jí)的輸入節(jié)點(diǎn)上也出現(xiàn)一個(gè)小小的毛刺。假如輸入端的電壓毛刺使電壓變得太高或太低，功率級(jí)的開關(guān)切換或IC的工作就會(huì)受到影響。因此，當(dāng)加入了RL緩沖抑制電路的時(shí)候，一定要在最大負(fù)載狀態(tài)下對(duì)輸入節(jié)點(diǎn)上的電壓毛刺情況進(jìn)行檢查，避免由此可能帶來的問題發(fā)生。

 

 

本章將示范在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(fù)載是一只并聯(lián)了10µF MLCC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)的接地端通過一只100Ω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（見第8章）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(cè)量到的高頻電流信號(hào)，它能顯示出轉(zhuǎn)換器開關(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。）

 

 

我們首先通過測(cè)量輸入線上的共模電流來對(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。

 

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，參見圖18。

 

我們也同時(shí)看到開關(guān)切換波形上出現(xiàn)很高的過沖和振鈴信號(hào)，這些信號(hào)實(shí)際上已經(jīng)超過了IC的耐壓規(guī)格。這些狀況說明錯(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回路帶來的輻射要遠(yuǎn)低于單面板上的結(jié)果，開關(guān)切換所帶來的振鈴信號(hào)也要低一些。參見圖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。參見圖20。

 

 

開關(guān)切換過程中的過沖和振鈴信號(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可以改善開關(guān)切換波形上的過沖和振鈴信號(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(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)果來看，開關(guān)切換波形上的過沖實(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(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22µF 1206電容。

 

采用經(jīng)過優(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(cè)到的輻射噪聲也很低，它在經(jīng)過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，說明整個(gè)板子的輻射水平已經(jīng)很低了。

 

 

在電源輸入線上濾波

 

電源輸入線上的高頻電流由差模電流和共模電流構(gòu)成。對(duì)于共模電流，可以在PCB布局設(shè)計(jì)時(shí)將具有高電流變化率dI/dt的電流環(huán)最小化予以消減。而差模電流則有不同的來源，我們可以如圖27那樣將正、負(fù)兩條線以不同方向穿過自制的電流探頭的磁芯來進(jìn)行測(cè)量。

 

 

我們要測(cè)量的差模電流是由Buck轉(zhuǎn)換器的脈沖狀輸入電流在經(jīng)過輸入電容的時(shí)候由其ESR和PCB布局形成的ESL（假如存在的話）所導(dǎo)致的電壓下沉出現(xiàn)在輸入電容上而形成的，它最后呈現(xiàn)在電源輸入線上成為差模電流。

 

通過增加輸入電容可以降低差模電流，但更有效的做法是在輸入線上加入一個(gè)小型的LC濾波器，如圖28右側(cè)所示的那樣。

 

 

沒有輸入濾波器

添加10µF 1206 MLCC + 2A 0603磁珠（BLM18PG121SN1）作為濾波器

添加10µF 1206 MLCC + 1µH 1.5A 電感（LQH3NPN1R0）作為濾波器

 

 

正如從圖29中看到的那樣，添加磁珠 + 電容構(gòu)成的濾波器可濾除除800kHz基波以外的所有高頻成分，添加1µH電感 + 電容構(gòu)成的濾波器可消除包含基波在內(nèi)的所有差模噪聲。

 

在輸出線上濾波

 

當(dāng)對(duì)輸出端的差模信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們能看到的高頻成分會(huì)比較少，這是因?yàn)檩敵鲭娏魇沁B續(xù)的，電流變化率不高。然而，我們?nèi)阅茉谄渲锌吹礁哌_(dá)30MHz左右頻率的低頻噪聲，這是由于轉(zhuǎn)換器中電感上的電流紋波經(jīng)過輸出電容傳遞到了輸出端成為輸出端上的差模電流，畢竟這些電容也含有ESR和ESL嘛。通過在輸出端添加額外的LC濾波器可以將大部分的差模信號(hào)濾除掉，這種濾波器可由磁珠和MLCC電容構(gòu)成，其方法如圖30所示。

 

 

測(cè)量3.3V輸出端差模信號(hào)的方法

沒有濾波器時(shí)的輸出

使用輸出濾波器（22µF 1206 MLCC + 0603 4A磁珠 BLM18SG700TN1）之后的結(jié)果

 

 

經(jīng)常發(fā)生的一件事情是某些電感的漏磁會(huì)耦合到輸出端的回路上，這也會(huì)造成輸出端差模電流的出現(xiàn)。

 

屏蔽電感的漏磁會(huì)比較低，其磁場(chǎng)信號(hào)不容易進(jìn)入輸出回路，但沒有屏蔽或是半屏蔽的電感就完全不一樣了。一旦遇到這樣的狀況，輸出回路的面積就必須最小化以使其不容易將電感的漏磁耦合進(jìn)去。

 

通過在自舉電路中串聯(lián)電阻和使用RC緩沖抑制電路消減振鈴信號(hào)

 

在此實(shí)驗(yàn)中，我們使用雙面PCB，輸入電容的放置位置如上面的實(shí)驗(yàn)2一樣，這樣的配置可以在輸入回路中引入比較明顯的輻射。

 

 

為了作為參照，首先在沒有Rboot和RC緩沖抑制電路的情況下對(duì)輸入線上的共模電流進(jìn)行測(cè)試。

 

開關(guān)切換波形顯示出5V的過沖，過沖信號(hào)的振蕩頻率為238MHz；輸入線上的共模電流顯示出明顯的高頻噪聲。參考圖33。

 

 

RT7297C使用了相對(duì)比較小的上橋MOSFET (110mΩ)，因而通過給自舉電路串聯(lián)小電阻的方法帶來的影響也很小。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使將Rboot加到20Ω也不能看到很明顯的波形改變，下圖所示的示波器圖形將電阻為0Ω時(shí)的波形（灰色）和添加了33Ω串聯(lián)電阻時(shí)的波形進(jìn)行了對(duì)比，可以看出過沖信號(hào)幅度降到了3V。這種改變對(duì)共模電流的影響也很小，在這種簡(jiǎn)易的測(cè)量中幾乎看不出來。

 

 

為了確定RC緩沖抑制電路的值，我們使用在第5章描述過的方法。

 

振鈴信號(hào)的原始頻率fRING = 238MHz，添加220pF電容后，fRING變成114MHz，所以CP = 220pF/3 = 73pF。

 

LP可由公式算得，其結(jié)果為L(zhǎng)P = 6.1nH。

 

 

RS可由公式進(jìn)行計(jì)算。我們選擇ξ = 0.5，于是RS = 9.1Ω，我們選擇其為8.2Ω。

 

 

CS應(yīng)為4xCP，所以是330pF。

 

沒有RC緩沖抑制電路的波形

加入RC緩沖抑制電路后的波形

加入RC緩沖抑制電路后的共模電流

 

 

增加RC緩沖抑制電路在高頻段可對(duì)共模電流帶來下降5dB的影響。

 

上升沿干凈無振鈴

下降沿沒有什么改變

 

 

由上圖可見，Rboot對(duì)效率的影響比較小，但在負(fù)載很重的時(shí)候其影響會(huì)加大。

 

RC平滑抑制電路對(duì)效率的影響會(huì)比較大，特別是在輕載和中等負(fù)載的情況下，但最大也就1~2%，處于可以接受的范圍。需要特別注意的是，當(dāng)Buck轉(zhuǎn)換器的工作頻率很高和輸入電壓很高的時(shí)候，RC平滑抑制電路對(duì)效率的影響會(huì)很大。

 

 

做好Buck轉(zhuǎn)換器PCB布局設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在一開始就要計(jì)劃好關(guān)鍵元件的放置位置。

 

 

在噪聲敏感的應(yīng)用中，最好是選擇小型封裝的、電感很低的晶圓倒裝芯片。

確定開關(guān)切換回路的VIN和GND節(jié)點(diǎn)位置，將不同尺寸的輸入電容盡可能靠近這些節(jié)點(diǎn)，最小的電容靠節(jié)點(diǎn)的位置要最近。由于這個(gè)切換回路承載了很高的電流變化率dI/dt，因而需要盡可能地小。

 

將輸出電容地放在不與輸入電容切換路徑發(fā)生重疊的地方，避免高頻噪聲串入輸出電壓中。

 

 

開關(guān)切換節(jié)點(diǎn)和BOOT引腳含有很高的電壓變化率dV/dt，可導(dǎo)致嚴(yán)重的電場(chǎng)輻射，因而其銅箔面積應(yīng)當(dāng)保持最小化，還要避開其它敏感電路。
 

 

 

 

轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)部分應(yīng)當(dāng)與大功率的開關(guān)切換部分分開，其地線應(yīng)當(dāng)位于干凈無噪聲的地方，千萬(wàn)不要將輸入端的電流信號(hào)和輸出端的紋波電流引入其中。

不要在關(guān)鍵回路上使用熱阻焊盤，它們會(huì)引入多余的電感特性。

 

 

當(dāng)使用地線層的時(shí)候，要盡力保持輸入切換回路下面的地層的完整性。任何對(duì)這一區(qū)域地線層的切割都會(huì)降低地線層的有效性，即使是通過地線層的信號(hào)導(dǎo)通孔也會(huì)增加其阻抗。

導(dǎo)通孔可以被用于連接退藕電容和IC的地到地線層上，這可使回路最短化。但需要牢記的是導(dǎo)通孔的電感量大約在0.1~0.5nH之間，這會(huì)根據(jù)導(dǎo)通孔厚度和長(zhǎng)度的不同而不同，它們可增加總的回路電感量。對(duì)于低阻抗的連接來說，使用多個(gè)導(dǎo)通孔是應(yīng)該的。

 

 

在上面的例子中，通到地線層的附加導(dǎo)通孔對(duì)縮減CIN回路的長(zhǎng)度沒有幫助。但在另一個(gè)例子中，由于頂層的路徑很長(zhǎng)，通過導(dǎo)通孔來縮小回路面積就十分有效。

 

需要注意的是將地線層作為電流回流的路徑會(huì)將大量噪聲引入地線層，為此可將局部地線層獨(dú)立出來，再通過一個(gè)噪聲很低的點(diǎn)接入主地當(dāng)中。

 

當(dāng)?shù)鼐€層很靠近輻射回路的時(shí)候，其對(duì)回路的屏蔽效果會(huì)得到有效的加強(qiáng)。因此，在設(shè)計(jì)局多層PCB的時(shí)候，可將完整的地線層放在第二層，使其直接位于承載了大電流的頂層的下面。

 

非屏蔽電感會(huì)生成大量的漏磁，它們會(huì)進(jìn)入其他回路和濾波元件之中。在噪聲敏感的應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)使用半屏蔽或全屏蔽的電感，還要讓敏感電路和回路遠(yuǎn)離電感。

 

 

測(cè)量電磁兼容性問題通常意味著你得拿著自己的產(chǎn)品原型跑到電磁兼容實(shí)驗(yàn)室去進(jìn)行測(cè)試，那里通常有3m的無回聲房間，還備有特別的使用天線和接收機(jī)的測(cè)量設(shè)備，測(cè)量的數(shù)據(jù)可顯示出整個(gè)系統(tǒng)的最后結(jié)果，但在這樣的地方并不總是能夠容易地找到造成特定輻射問題的根本原因。

 

其實(shí)我們是有可能在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品原型進(jìn)行一些基本的EMI測(cè)試的，還可對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊分別進(jìn)行。這樣的測(cè)試通常屬于近場(chǎng)環(huán)境（測(cè)量距離 < 0.16λ），因而在測(cè)試電流回路的輻射狀況時(shí)需要使用小型的環(huán)形天線來對(duì)高頻磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。你可以使用一段50Ω的同軸電纜自己制作小型的擁有電屏蔽的環(huán)形天線，這看起來并不是一件很難的事情，可參考圖43的示意進(jìn)行。

 

 

這種環(huán)形天線可以被連接到頻譜分析儀上，當(dāng)你使它在PCB上方移動(dòng)時(shí)，你就可以看到哪里會(huì)有比較強(qiáng)的高頻磁場(chǎng)。你也可以把它連接到一臺(tái)示波器上（使用50Ω的端子），示波器上就可以顯示出相應(yīng)區(qū)域的切換噪聲水平。保持天線環(huán)和板子之間的相對(duì)位置和距離不變，對(duì)電路、PCB上的回路做出某些改變，你就可以知道噪聲水平在增加或是減少。

 

由于電源線的輻射對(duì)EMI水平的影響很大，你也可以測(cè)量這些線上的高頻電流。不是所有的電流探頭都有足夠的帶寬可以凸顯EMI問題，這可通過將幾匝線圈穿過一個(gè)EMI鐵芯以形成一個(gè)高頻電流變壓器的方法來解決。其做法與環(huán)型天線的做法差不多，但需要將環(huán)形線圈3次穿過鐵芯。參見圖44。

 

現(xiàn)在將電纜穿過鐵芯就可以對(duì)其中的高頻電流進(jìn)行測(cè)量了，電流變壓器的輸出可以接入頻譜儀或是示波器（使用50Ω端口）。

 

 

為了將測(cè)試工具和測(cè)試對(duì)象隔離開，最好是在電纜上加一個(gè)共模線圈，這可通過將引入分析裝置的電纜多次穿過一個(gè)扣合式的EMI鐵芯來實(shí)現(xiàn)。

 

 

將電源線的正、負(fù)兩條線以同一個(gè)方向穿過鐵芯可測(cè)量其中的共模電流，顛倒其中一條線的方向則可測(cè)量差模電流。參見圖45。

 

另外一種手持式的工具是電流探測(cè)器，這是一種使用開放式鐵芯的小型化電流變壓器，參見圖46。這種工具可用于測(cè)量銅箔路徑或元件引腳上的高頻電流。

 

 

這個(gè)工具在制作上會(huì)有一定的難度，你可以用一個(gè)有兩個(gè)孔的鐵氧體磁珠經(jīng)過打磨以后得到開放式的鐵芯，再加上4~5匝線圈，然后再將其連接到同軸電纜即可。最好是將此鐵芯放在帶有開口的屏蔽罩里。當(dāng)使用此工具的時(shí)候，你應(yīng)當(dāng)知道它也會(huì)撿拾到一些電場(chǎng)信號(hào)。為了分辨你測(cè)得的結(jié)果是來自于磁場(chǎng)還是電場(chǎng)，你可以在路徑的上方將工具轉(zhuǎn)動(dòng)90°。如果測(cè)量的結(jié)果來自于磁場(chǎng)，其結(jié)果就會(huì)變?yōu)?。如果信號(hào)來自于電場(chǎng)，其結(jié)果就不會(huì)有什么改變。

 

 

電流探測(cè)器可讓你知道變化中的高頻電流在板上和元件上是如何流動(dòng)的，甚至可以顯示出電流在銅箔上是如何流動(dòng)的：你將發(fā)現(xiàn)高頻電流在銅箔上總是從最短的路徑上經(jīng)過。實(shí)際上，即使是地線層上的渦流也可以被測(cè)量出來。

 

本文中的所有測(cè)試都是使用這里描述的工具進(jìn)行的。

 

 

解決EMI問題可能是一件很復(fù)雜的事情，尤其是在面對(duì)完整的系統(tǒng)，同時(shí)又不知道輻射源所在的時(shí)候。有了關(guān)于高頻信號(hào)和開關(guān)切換式轉(zhuǎn)換器中的電流回路的基礎(chǔ)知識(shí)，再加上對(duì)元器件和PCB布局在高頻情況下的表現(xiàn)的了解，結(jié)合某些簡(jiǎn)單自制工具的使用，要想找出輻射源和降低輻射的低成本解決方案，從而輕松的解決EMI問題是有可能的。

 

Buck轉(zhuǎn)換器中的主要輻射源是轉(zhuǎn)換器的輸入切換回路，它是我們考慮問題的重點(diǎn)。采用不同封裝的開關(guān)切換式轉(zhuǎn)換器在獲得最佳元件布局方案以得到EMI輻射最低的解決方案方面有可能扮演非常重要的角色。

 

降低轉(zhuǎn)換器的開關(guān)切換速度可對(duì)降低EMI有幫助，但這通常不是最優(yōu)的選擇。通過地線層進(jìn)行屏蔽是一種很有效的做法，它們應(yīng)該盡可能地長(zhǎng)大、完整，還要盡可能靠近有輻射的環(huán)路。對(duì)輸入和輸出線進(jìn)行濾波可以很有效地降低傳導(dǎo)輻射水平。