BUCK電路的EMI抑制方案

EMC-12---電源噪聲處理實例

引言：傳導電磁干擾指通過導體進行傳播從而干擾其他系統的電磁干擾，任何導體如導線、電感、電容都是傳播傳導干擾的通道。對于開關電源，Buck的輸入、Boost的輸出、Buck-Boost的輸入和輸出都會產生不連續電流，不連續電流會導致電路產生電壓尖峰，電壓尖峰通過PCB走線和導線會傳導到各個系統從而導致干擾。

1.傳導電磁干擾概述

電磁干擾的模型可以簡單的等效為3個部分：干擾源、傳導路徑、接收端。DC-DC電路其傳播路徑為PCB走線及導線，接收為供電端和其他應用電路。在進行傳導EMI測試時，干擾源為測試設備DUT，傳導路徑為導線，接收器為傳導干擾測試設備LISN。

傳導電磁干擾信號可分為差模信號(DM)和共模信號(CM)兩種(傳送門：EMC-3：噪聲的傳輸和放大)，在進行EMC提升和設計的時候要對兩種信號進行區分并針對不同的信號進行相應的處理，圖12-1為測量傳導EMI的圖解。

圖12-1：傳導EMI測試圖解

將V-Common稱為V1和V2在EARTH-GND上的共模電壓，將V-diff稱為V1和V2上的差分電壓，所以根據共模電壓和差模電壓的定義有：

其中：

差模干擾：存在于L+和L-線之間，電流從Line+進入，流過整流二極管正極，再流經負載，通過熱地，到整流二極管，再回到L-，在這條通路上，有高速開關的大功率器件，有反向恢復時間極短的二極管，這些器件產生的高頻干擾，都會從整條回路流過，從而被接收機檢測到，導致傳導超標。

圖12-2為差模干擾引起的傳導FALL數據，該測試數據前端超標，為差模干擾引起：

圖12-2：差模干擾超標數據

共模干擾：共模干擾是因為大地與設備電纜之間存在寄生電容，使得共模干擾有了回路，干擾噪聲通過該電容，流向大地，在LISN-線纜-寄生電容-地之間形成共模干擾電流，從而被接收機檢測到，從而導致共模干擾，傳導超標，圖12-3為共模干擾引起的傳導FALL數據。

圖12-3：共模干擾超標數據

2.傳導電磁干擾測試標準

常見的EMI標準有歐洲標準(EN)，美國標準(FCC)，國際標準(CISPR)，這些標準對于不同的應用市場有相應的針對性EMI標準，具體情況如表12-1所示。

表12-1：主要產品類別傳導EMI標準

不同標準對應的傳導干擾限值不同，且測試頻率范圍也不盡相同，具體情況請查看相應標準手冊。以最常見的EN55032為例，傳導干擾頻率測試范圍在150K到30MHz，需要注意的是，在2017年3月5日之后，之前使用特別廣泛的EN55022被納入EN55032標準。EN55032分為Class
A和Class B兩個標準，用于居住環境的產品需要通過更嚴格的Class B標準，其他則只需通過Class A標準，圖12-4為EN
55032傳導EMI輻射限值標準。

圖12-4：EN 55032傳導干擾限值標準

3.傳導電磁干擾的產生

在開關電源中，開關管周期性的通斷會產生周期性的電流突變(di/dt)和電壓突變(dv/dt)，周期性的電流變化和電壓變化則會導致電磁干擾的產生。圖12-5所示為Buck電路中差模噪聲和共模噪聲路徑，差模噪聲電流回路與電源電流相同，因此輸出電流和返回電流是反向的，一般認為差模噪聲是“電流驅動”噪聲，是由電路中的電流變化(di/dt)產生。一般認為共模噪聲是“電壓驅動”噪聲，是由電路中的電壓變化(dv/dt)產生。共模噪聲電流則是通過寄生電容，從電源線流向機殼等導體，從而形成回路。因此共模噪聲的電流在電源線是同向的。(傳送門：EMC-4：開關電源的噪聲來源)

圖12-5：Buck電路中的差模噪聲和共模噪聲

4.差模干擾的產生和分析

差模噪聲由電路中的電流變化(di/dt)所產生，圖12-6所示為Buck電路的電流變化，可見在Buck電路中上管電流和下管電流是突變的，這些突變電流便是差模干擾產生的源頭，這些干擾電流通過電源線注入LISN，由頻譜儀繪制出傳導噪聲曲線。

圖12-6：Buck電路中的電流變化

圖12-7為Buck上管電流的頻域分析圖，開關電源中的周期性di/dt信號其頻域噪聲主要集中在傳導EMI測試的頻率范圍。這個噪聲是開關電源特性所致，它的產生是無法避免的，但是可以通過加輸入電容和輸入濾波電路在傳播路徑上對噪聲進行抑制，以下會詳細論述。

圖12-7：Buck上管電流的頻域分析

5.共模干擾的產生和分析

共模噪聲由電路中的電壓變化(dv/dt)所產生，圖12-8所示為Buck電路共模噪聲的產生和傳播路徑。在開關電源中，由于開關管周期性的通斷，會在SW點產生周期性電壓變化(dv/dt)，這個周期性的dv/dt信號會在由寄生電容和機殼、銅皮組成的回路上產生共模電流，共模電流通過寄生電容，再經過機殼、銅皮等流向LISN。

圖12-8：共模噪聲的產生和傳播路徑

圖12-9為SW點電壓的頻域分析圖，干擾噪聲以大概-20db/dec的斜率衰減，高幅值干擾噪聲主要集中在傳導范圍頻域內。開關電源中SW的dv/dt是難以避免的，因此需要用共模濾波器對共模干擾進行抑制。

圖12-9：SW電壓頻域分析

6.傳導電磁干擾的預防和優化

上面提到電磁干擾模型可以等效為3個部分：干擾源，傳導路徑，和接收端，傳導電磁干擾測試時接收端為LISN，因此主要從干擾源和傳導路徑兩個角度進行傳導電磁干擾的預防和優化。(傳送門：EMC-6：如何從后級解決開關電源的噪聲)

從干擾源進行優化

1#：設置頻率

EMI標準在不同頻率的限值不同，可將開關頻率設置在干擾限值較高的頻率。如EN55032 class A在500KHz以上限值為60dBuV,
在500KHz以下限值為66dBuV，因此可以考慮將開關頻率設置在400KHz。

2#：用帶有抖頻功能(也叫展頻)的Buck Converter

抖頻是指IC通過內部邏輯控制使得開關頻率在一定范圍內按一定步進進行切換，從而實現將干擾能量進行頻域分散，達到降低整體干擾幅度的效果。圖12-10為抖頻效果的示意圖，抖頻功能，其抖頻范圍為開關頻率的±6%，調制率為開關頻率的1/512。

圖12-10：展頻效果示意圖

3#：優化Layout

使用低ESR電容作為輸入電容并盡可能靠近芯片放置，由此來最小化輸入電容和上下管組成的高di/dt回路，同時要注意電流返回路徑，通過給地鋪銅來提供最短路徑的電流回路，回路上鋪銅不能被切斷。

將電感靠近芯片放置，在保證足夠電流能力的前提下，使SW點鋪銅面積最小化，由此來減少高dv/dt的SW點的電場耦合。

對功率地和信號地單點接地，防止噪聲耦合，使用4層板，在中間兩層鋪地，提供最短電流回路，并對干擾進行屏蔽。

從傳播路徑對干擾進行吸收

1#：使用共模濾波器

針對共模噪聲，需要使用共模電感進行抑制，共模電感對共模電流表現為高阻狀態，對差模電流則表現為低阻，因此共模電感對共模噪聲有很好的抑制作用。

2#：使用差模濾波器

對于差模噪聲，圖12-11所示為標準的EMI濾波器。

圖12-11：標準EMI濾波器

小結：

對差模干擾：

1#：增大X電容容值。

2#：增大共模電感感值，利用其漏感，抑制差模噪聲。

對共模干擾：

1#：增大共模電感感值。

2#： 調整L+-GND，L--GND上的LC濾波器，濾掉共模噪聲。

3#：主板盡可能接地，減小對地阻抗，從而減小線纜與大地的寄生電容。