淺談Buck轉換器中關于EMI設計帶來的影響

本章將示范在Buck轉換器的EMI設計中的不同方法所導致的影響。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1中。

圖1

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設計顯示在圖2中。

圖2：EMI測試板

測試設備的配置如圖3所示。

圖3

當被測試對象被放在實驗桌上時，其PCB上的電流回路和導線就會向周圍環境輻射出高頻能量，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合在一起，可被用著輻射狀況的指示信號。

圖4：輻射場形成的共模電流

轉換器的電源輸入來自于三只串聯的鋰離子電池，電壓大約為12V，這就使它們和實驗室里的其他設備沒有了直接聯系。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致的諧振問題。

轉換器的負載是一只并聯了10μF MLCC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網絡。

自制的EMI電流測試工具（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量到的高頻電流信號，它能顯示出轉換器開關切換期間的高頻小信號。對于這種重復出現的開關切換信號而言，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。

輸入電容的放置?

實驗1 ：將CIN放置在遠離IC的地方。

圖5中的PCB布局呈現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。）

圖5

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的檢查。

圖6：測量輸入線上的共模電流

從圖6右側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。

我們可以用環形天線在PCB上方搜索輻射場以發現共模電流的源頭所在。當環形天線移動到輸入環路的上方時，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7。

我們也同時看到開關切換波形上出現很高的過沖和振鈴信號，這些信號實際上已經超過了IC的耐壓規格。這些狀況說明錯誤的輸入電容放置位置可以導致很高的輻射和巨大的振鈴信號。

圖7：在單面PCB上測量大型CIN回路造成的輻射

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果，開關切換所帶來的振鈴信號也要低一些。參見圖8。

圖8：在有地線層的雙面PCB上測量大型CIN回路造成的輻射

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9。

圖9：更好的放置CIN的方法

開關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。

圖10

上述實驗最重要的結論是確認了更好地放置CIN可以改善開關切換波形上的過沖和振鈴信號的幅度，還能降低高頻輻射。

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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11顯示出了電容的放置方法，現在的CIN回路就通過IC的引腳、內部的邦定線和0603規格的電容形成了。

圖 11

從實驗結果來看，開關切換波形上的過沖實際上已經消失了，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，其結果顯示高頻噪聲已經消失，但在大約25MHz的地方出現了一個大的低頻尖峰。

圖12：在IC的GND和VIN之間增加一只0603 10nF電容

這種低頻諧振常因不同諧振回路中的兩只電容因并聯而發生諧振所導致，這種問題常常發生在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，諧振發生在10nF電容和4nH的寄生電感上（大約3mm的導體長度），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小電容的旁邊并聯一個具有稍高ESR的22μF 1206電容。

采用經過優化了的CIN放置方法的PCB布局設計如下圖13所示。

圖 13

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

圖14：使用最短化CIN回路的最后方案

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下降很多。與第一次測量的結果相比，某些頻率上的差異多于30dB，說明整個板子的輻射水平已經很低了。

圖15：最終方案的共模信號測量結果

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成。對于共模電流，可以在PCB布局設計時將具有高電流變化率dI/dt的電流環最小化予以消減。而差模電流則有不同的來源，我們可以如圖16那樣將正、負兩條線以不同方向穿過自制的電流探頭的磁芯來進行測量。

圖16：差模電流的測量

我們要測量的差模電流是由Buck轉換器的脈沖狀輸入電流在經過輸入電容的時候由其ESR和PCB布局形成的ESL（假如存在的話）所導致的電壓下沉出現在輸入電容上而形成的，它最后呈現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小型的LC濾波器，如圖17右側所示的那樣。

圖17：輸入濾波器

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圖 18

正如從圖18中看到的那樣，添加磁珠 + 電容構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 + 電容構成的濾波器可消除包含基波在內的所有差模噪聲。

在輸出線上濾波?

當對輸出端的差模信號進行測量時，我們能看到的高頻成分會比較少，這是因為輸出電流是連續的，電流變化率不高。然而，我們仍能在其中看到高達30MHz左右頻率的低頻噪聲，這是由于轉換器中電感上的電流紋波經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濾除掉，這種濾波器可由磁珠和MLCC電容構成，其方法如圖19所示。

圖19：輸出端的濾波處理

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圖 19

經常發生的一件事情是某些電感的漏磁會耦合到輸出端的回路上，這也會造成輸出端差模電流的出現。

屏蔽電感的漏磁會比較低，其磁場信號不容易進入輸出回路，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去。

通過在自舉電路中串聯電阻和使用RC緩沖抑制電路消減振鈴信號?

在此實驗中，我們使用雙面PCB，輸入電容的放置位置如上面的實驗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。

圖 19

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輸入線上的共模電流進行測試。

開關切換波形顯示出5V的過沖，過沖信號的振蕩頻率為238MHz；輸入線上的共模電流顯示出明顯的高頻噪聲。參考圖20。

圖20：測量開關切換波形和共模電流作為參照

RT7297C使用了相對比較小的上橋MOSFET (110m?)，因而通過給自舉電路串聯小電阻的方法帶來的影響也很小。實驗發現，即使將Rboot加到20Ω也不能看到很明顯的波形改變，下圖21所示的示波器圖形將電阻為0Ω時的波形（灰色）和添加了33Ω串聯電阻時的波形進行了對比，可以看出過沖信號幅度降到了3V。這種改變對共模電流的影響也很小，在這種簡易的測量中幾乎看不出來。

圖21：增加33Ω Rboot前后的振鈴信號對比

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，其結果為LP = 6.1nH。

RS可由公式進行計算。我們選擇ξ = 0.5，于是RS = 9.1Ω，我們選擇其為8.2Ω。

CS應為4xCP，所以是330pF。

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圖22：RC緩沖抑制電路對開關切換波形和共模電流的影響

增加RC緩沖抑制電路在高頻段可對共模電流帶來下降5dB的影響。

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圖23：同時使用8.2Ω & 330P RC平滑抑制電路和 33Ω Rboot 電阻對開關切換波形的影響

圖24：使用RC平滑抑制電路和RBOOT電阻對效率的影響

由上圖可見，Rboot對效率的影響比較小，但在負載很重的時候其影響會加大。

RC平滑抑制電路對效率的影響會比較大，特別是在輕載和中等負載的情況下，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Buck轉換器的工作頻率很高和輸入電壓很高的時候，RC平滑抑制電路對效率的影響會很大。

BUCK轉換器PCB布局設計要點

做好Buck轉換器PCB布局設計的關鍵是在一開始就要計劃好關鍵元件的放置位置。

1. 在噪聲敏感的應用中，最好是選擇小型封裝的、電感很低的晶圓倒裝芯片。

圖25：不同封裝將給出不同的輸入回路面積和寄生電感

2. 確定開關切換回路的VIN和GND節點位置，將不同尺寸的輸入電容盡可能靠近這些節點，最小的電容靠節點的位置要最近。由于這個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。

圖26：不同輸入電容放置位置的布局樣板

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

圖 27

4. 開關切換節點和BOOT引腳含有很高的電壓變化率dV/dt，可導致嚴重的電場輻射，因而其銅箔面積應當保持最小化，還要避開其它敏感電路。

5. 轉換器的小信號部分應當與大功率的開關切換部分分開，其地線應當位于干凈無噪聲的地方，千萬不要將輸入端的電流信號和輸出端的紋波電流引入其中。

圖28

6. 不要在關鍵回路上使用熱阻焊盤，它們會引入多余的電感特性。

7. 當使用地線層的時候，要盡力保持輸入切換回路下面的地層的完整性。任何對這一區域地線層的切割都會降低地線層的有效性，即使是通過地線層的信號導通孔也會增加其阻抗。

8. 導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。但需要牢記的是導通孔的電感量大約在0.1~0.5nH之間，這會根據導通孔厚度和長度的不同而不同，它們可增加總的回路電感量。對于低阻抗的連接來說，使用多個導通孔是應該的。

圖29

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

9. 需要注意的是將地線層作為電流回流的路徑會將大量噪聲引入地線層，為此可將局部地線層獨立出來，再通過一個噪聲很低的點接入主地當中。

10. 當地線層很靠近輻射回路的時候，其對回路的屏蔽效果會得到有效的加強。因此，在設計局多層PCB的時候，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。

11. 非屏蔽電感會生成大量的漏磁，它們會進入其他回路和濾波元件之中。在噪聲敏感的應用中應當使用半屏蔽或全屏蔽的電感，還要讓敏感電路和回路遠離電感。

你可以自制的簡易EMI問題探測工具

測量電磁兼容性問題通常意味著你得拿著自己的產品原型跑到電磁兼容實驗室去進行測試，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的測量設備，測量的數據可顯示出整個系統的最后結果，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。

其實我們是有可能在實驗室環境下對產品原型進行一些基本的EMI測試的，還可對系統的各個模塊分別進行。這樣的測試通常屬于近場環境（測量距離 < 0.16λ），因而在測試電流回路的輻射狀況時需要使用小型的環形天線來對高頻磁場進行測量。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形天線，這看起來并不是一件很難的事情，可參考圖30的示意進行。

圖30：環型天線的做法

這種環形天線可以被連接到頻譜分析儀上，當你使它在PCB上方移動時，你就可以看到哪里會有比較強的高頻磁場。你也可以把它連接到一臺示波器上（使用50Ω的端子），示波器上就可以顯示出相應區域的切換噪聲水平。保持天線環和板子之間的相對位置和距離不變，對電路、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EMI水平的影響很大，你也可以測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EMI鐵芯以形成一個高頻電流變壓器的方法來解決。其做法與環型天線的做法差不多，但需要將環形線圈3次穿過鐵芯。參見圖31。

圖31：高頻電流探頭的做法

現在將電纜穿過鐵芯就可以對其中的高頻電流進行測量了，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）。

為了將測試工具和測試對象隔離開，最好是在電纜上加一個共模線圈，這可通過將引入分析裝置的電纜多次穿過一個扣合式的EMI鐵芯來實現。

圖32

將電源線的正、負兩條線以同一個方向穿過鐵芯可測量其中的共模電流，顛倒其中一條線的方向則可測量差模電流。參見圖32。

另外一種手持式的工具是電流探測器，這是一種使用開放式鐵芯的小型化電流變壓器，參見圖33。這種工具可用于測量銅箔路徑或元件引腳上的高頻電流。

圖33：電流探測器的做法

這個工具在制作上會有一定的難度，你可以用一個有兩個孔的鐵氧體磁珠經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。當使用此工具的時候，你應當知道它也會撿拾到一些電場信號。為了分辨你測得的結果是來自于磁場還是電場，你可以在路徑的上方將工具轉動90°。如果測量的結果來自于磁場，其結果就會變為0。如果信號來自于電場，其結果就不會有什么改變。

圖34：電流探測器的使用

電流探測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的，甚至可以顯示出電流在銅箔上是如何流動的：你將發現高頻電流在銅箔上總是從最短的路徑上經過。實際上，即使是地線層上的渦流也可以被測量出來。

本文中的所有測試都是使用這里描述的工具進行的。

總結

解決EMI問題可能是一件很復雜的事情，尤其是在面對完整的系統，同時又不知道輻射源所在的時候。有了關于高頻信號和開關切換式轉換器中的電流回路的基礎知識，再加上對元器件和PCB布局在高頻情況下的表現的了解，結合某些簡單自制工具的使用，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轉換器中的主要輻射源是轉換器的輸入切換回路，它是我們考慮問題的重點。采用不同封裝的開關切換式轉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。

降低轉換器的開關切換速度可對降低EMI有幫助，但這通常不是最優的選擇。通過地線層進行屏蔽是一種很有效的做法，它們應該盡可能地長大、完整，還要盡可能靠近有輻射的環路。對輸入和輸出線進行濾波可以很有效地降低傳導輻射水平。

審核編輯：黃飛

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