DCDCBUCK开关电源中的EMI辐射干扰分析

硬件笔记本 2023-02-17 07:40

点击上方名片关注了解更多


文章直接来源:工程师看海

下面将示范在Buck转换器的EMI设计中的不同方法所导致的影响。示范所使用的IC是RT7297CHZSP,一款800kHz工作频率、3A输出能力的电流模式Buck转换器,采用PSOP-8封装。测试中的电路工作在12V输入下,输出为3.3V/3A,测试所用电路显示在图12中。


测试所用的板子有两个版本,一个具有完整的地铜箔层,一个没有。板上设置了多种可选配置,如LC输入滤波器,不同的输入电容放置位置,可选的Rboot、RC缓冲电路和输出端LC滤波器。具有这些不同选项的PCB设计显示在图13中。


测试设备的配置如图 14 所示。


当被测试对象被放在实验桌上时,其PCB上的电流回路和导线就会向周围环境辐射出高频能量,这些辐射信号又会自己找到路径返回到测试对象上,并以高频共模电流的形式出现在供电线上。这些供电线上的高频共模电流会和板上的电流结合在一起,可被用着辐射状况的指示信号。


转换器的电源输入来自于三只串联的锂离子电池,电压大约为12V,这就使它们和实验室里的其他设备没有了直接联系。一只电解电容跨接在电池的引线上,这可消除电池电感可能导致的谐振问题。转换器的负载是一只并联了10µFMLCC电容的1Ω电阻,这可为之提供3A的负载,同时对高频信号的阻抗又是极低的。

输入线靠电池一侧的接地端通过一只100Ω的电阻和实验台的地连接在一起,这就给整个电路提供了一个参考地,其阻抗很像EMC测试中的LISN网络。


自制的EMI电流测试工具可被安置在电源输入线和输出线上。在本文中,我们是用示波器来观看测量到的高频电流信号,它能显示出转换器开关切换期间的高频小信号。对于这种重复出现的开关切换信号而言,使用示波器的FFT功能进行计算并看到测量电流中的各种频率成分是可能的。这种方法虽然不如频谱分析仪那么精确,但仍然不失为一种非常实用的工具,可在简单电路的分析中提供判断依据。


输入电容的放置

实验 1 :将 CIN 放置在远离 IC 的地方。

图 16 中的 PCB 布局呈现了一种很差的输入电容放置方法,这将在切换回路中引入很大的寄生电感。(此
布局中还有额外的间隙以增加回路的面积。)


我们首先通过测量输入线上的共模电流来对辐射噪声做一次常规的检查。

从图 17 右侧显示的波形可以看到,共模电流是出奇地大,而且在很宽的整个频段上都可看到。



我们可以用环形天线在PCB上方搜索辐射场以发现共模电流的源头所在。当环形天线移动到输入环路的上方时,示波器在低频至高达200MHz的频段上显示出巨大的辐射噪声,参见图18。我们也同时看到开关切换波形上出现很高的过冲和振铃信号,这些信号实际上已经超过了IC的耐压规格。这些状况说明错误的输入电容放置位置可以导致很高的辐射和巨大的振铃信号


假如将同样的测试在背面为地线层的板子上进行,我们将看到这种拥有地线层的大型CIN回路带来的辐射要远低于单面板上的结果,开关切换所带来的振铃信号也要低一些。参见图19。

大回路上的电流形成的高频磁场会在地线层里生成涡旋电流,由涡旋电流所形成的磁场与原磁场的方向是相反的,从而可以抵消一部分原磁场。地线层离回路越近,抵消的效果就越好。


实验 2 :将 CIN 靠近 IC 放置

我们继续使用单面 PCB,并将 CIN 放置到靠近 IC 的地方,这样就形成了比较小的 CIN 回路。参见图 20。


开关切换过程中的过冲和振铃信号的幅度都降低了大约 50%,辐射的强度下降了大约 10dB,频带宽度扩展到了 300MHz。

上述实验最重要的结论是确认了更好地放置 CIN 可以改善开关切换波形上的过冲和振铃信号的幅度,还能降低高频辐射。


在RT7297CHZSP中,芯片底部的散热焊盘是没有和晶圆内核连接在一起的,所以在PCB布局中将铜箔和散热焊盘连接在一起并不能缩短CIN回路。它的上桥MOSFET和下桥MOSFET通过多根邦定线连接到VIN和GND端子,因而可以通过这两个端子形成最短的回路。


实验 3 :直接在 IC 的 VIN 端子和 GND 端子之间增加额外的 10nF 小电容

图 22 显示出了电容的放置方法,现在的 CIN 回路就通过 IC 的引脚、内部的邦定线和 0603 规格的电容形成了。


从实验结果来看,开关切换波形上的过冲实际上已经消失了,但还存在低频的振铃信号。为了看清信号,测试天线也不得不再靠近PCB一些,其结果显示高频噪声已经消失,但在大约25MHz的地方出现了一个大的低频尖峰。


这种低频谐振常因不同谐振回路中的两只电容因并联而发生谐振所导致,这种问题常常发生在EMI问题解决过程中,其回路和谐振都需要被定位才能排除。在此案例中,谐振发生在10nF电容和4nH的寄生电感上(大约3mm的导体长度),它们形成了大约25MHz的谐振信号。此谐振回路由0603电容、IC引脚、邦定线和PCB铜箔路径构成,其长度大约为3mm。解决这个问题的办法是在10nF小电容的旁边并联一个具有稍高ESR的22µF1206电容。采用经过优化了的CIN放置方法的PCB布局设计如下图24所示。


采用了上述的方案以后,单面板上的开关切换波形上的过冲已经完全消失,经环形天线检测到的辐射噪声也很低,它在经过 FFT 运算后得到的波形几乎都在本底噪声水平上。

假如我们在这个时候再用高频电流探头对输入线上的共模电流进行测量,我们将可看到共模噪声已经下降很多。与第一次测量的结果相比,某些频率上的差异多于30dB,说明整个板子的辐射水平已经很低了。

声明:


声明:本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立,推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有,如有侵权,联系删除。

推荐阅读

  • 硬件精选文章

  • EMC相关文章

  • 电子元器件


后台回复“加群,管理员拉你加入同行技术交流群。

硬件笔记本 一点一滴,厚积薄发。
评论
  • 新年伊始,又到了对去年做总结,对今年做展望的时刻 不知道你在2024年初立的Flag都实现了吗? 2025年对自己又有什么新的期待呢? 2024年注定是不平凡的一年, 一年里我测评了50余块开发板, 写出了很多科普文章, 从一个小小的工作室成长为科工公司。 展望2025年, 中国香河英茂科工, 会继续深耕于,具身机器人、飞行器、物联网等方面的研发, 我觉得,要向未来学习未来, 未来是什么? 是掌握在孩子们生活中的发现,和精历, 把最好的技术带给孩子,
    丙丁先生 2025-01-11 11:35 417浏览
  • 01. 什么是过程能力分析?过程能力研究利用生产过程中初始一批产品的数据,预测制造过程是否能够稳定地生产符合规格的产品。可以把它想象成一种预测。通过历史数据的分析,推断未来是否可以依赖该工艺持续生产高质量产品。客户可能会要求将过程能力研究作为生产件批准程序 (PPAP) 的一部分。这是为了确保制造过程能够持续稳定地生产合格的产品。02. 基本概念在定义制造过程时,目标是确保生产的零件符合上下规格限 (USL 和 LSL)。过程能力衡量制造过程能多大程度上稳定地生产符合规格的产品。核心概念很简单:
    优思学院 2025-01-12 15:43 459浏览
  • 随着全球向绿色能源转型的加速,对高效、可靠和环保元件的需求从未如此强烈。在这种背景下,国产固态继电器(SSR)在实现太阳能逆变器、风力涡轮机和储能系统等关键技术方面发挥着关键作用。本文探讨了绿色能源系统背景下中国固态继电器行业的前景,并强调了2025年的前景。 1.对绿色能源解决方案日益增长的需求绿色能源系统依靠先进的电源管理技术来最大限度地提高效率并最大限度地减少损失。固态继电器以其耐用性、快速开关速度和抗机械磨损而闻名,正日益成为传统机电继电器的首选。可再生能源(尤其是太阳能和风能
    克里雅半导体科技 2025-01-10 16:18 317浏览
  • 流量传感器是实现对燃气、废气、生活用水、污水、冷却液、石油等各种流体流量精准计量的关键手段。但随着工业自动化、数字化、智能化与低碳化进程的不断加速,采用传统机械式检测方式的流量传感器已不能满足当代流体计量行业对于测量精度、测量范围、使用寿命与维护成本等方面的精细需求。流量传感器的应用场景(部分)超声波流量传感器,是一种利用超声波技术测量流体流量的新型传感器,其主要通过发射超声波信号并接收反射回来的信号,根据超声波在流体中传播的时间、幅度或相位变化等参数,间接计算流体的流量,具有非侵入式测量、高精
    华普微HOPERF 2025-01-13 14:18 427浏览
  • 随着数字化的不断推进,LED显示屏行业对4K、8K等超高清画质的需求日益提升。与此同时,Mini及Micro LED技术的日益成熟,推动了间距小于1.2 Pitch的Mini、Micro LED显示屏的快速发展。这类显示屏不仅画质卓越,而且尺寸适中,通常在110至1000英寸之间,非常适合应用于电影院、监控中心、大型会议、以及电影拍摄等多种室内场景。鉴于室内LED显示屏与用户距离较近,因此对于噪音控制、体积小型化、冗余备份能力及电气安全性的要求尤为严格。为满足这一市场需求,开关电源技术推出了专为
    晶台光耦 2025-01-13 10:42 444浏览
  • ARMv8-A是ARM公司为满足新需求而重新设计的一个架构,是近20年来ARM架构变动最大的一次。以下是对ARMv8-A的详细介绍: 1. 背景介绍    ARM公司最初并未涉足PC市场,其产品主要针对功耗敏感的移动设备。     随着技术的发展和市场需求的变化,ARM开始扩展到企业设备、服务器等领域,这要求其架构能够支持更大的内存和更复杂的计算任务。 2. 架构特点    ARMv8-A引入了Execution State(执行状
    丙丁先生 2025-01-12 10:30 415浏览
  •   在信号处理过程中,由于信号的时域截断会导致频谱扩展泄露现象。那么导致频谱泄露发生的根本原因是什么?又该采取什么样的改善方法。本文以ADC性能指标的测试场景为例,探讨了对ADC的输出结果进行非周期截断所带来的影响及问题总结。 两个点   为了更好的分析或处理信号,实际应用时需要从频域而非时域的角度观察原信号。但物理意义上只能直接获取信号的时域信息,为了得到信号的频域信息需要利用傅里叶变换这个工具计算出原信号的频谱函数。但对于计算机来说实现这种计算需要面对两个问题: 1.
    TIAN301 2025-01-14 14:15 53浏览
  • 根据Global Info Research(环洋市场咨询)项目团队最新调研,预计2030年全球无人机电池和电源产值达到2834百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为10.1%。 无人机电池是为无人机提供动力并使其飞行的关键。无人机使用的电池类型因无人机的大小和型号而异。一些常见的无人机电池类型包括锂聚合物(LiPo)电池、锂离子电池和镍氢(NiMH)电池。锂聚合物电池是最常用的无人机电池类型,因为其能量密度高、设计轻巧。这些电池以输出功率大、飞行时间长而著称。不过,它们需要
    GIRtina 2025-01-13 10:49 139浏览
  • PNT、GNSS、GPS均是卫星定位和导航相关领域中的常见缩写词,他们经常会被用到,且在很多情况下会被等同使用或替换使用。我们会把定位导航功能测试叫做PNT性能测试,也会叫做GNSS性能测试。我们会把定位导航终端叫做GNSS模块,也会叫做GPS模块。但是实际上他们之间是有一些重要的区别。伴随着技术发展与越发深入,我们有必要对这三个词汇做以清晰的区分。一、什么是GPS?GPS是Global Positioning System(全球定位系统)的缩写,它是美国建立的全球卫星定位导航系统,是GNSS概
    德思特测试测量 2025-01-13 15:42 427浏览
  • 随着通信技术的迅速发展,现代通信设备需要更高效、可靠且紧凑的解决方案来应对日益复杂的系统。中国自主研发和制造的国产接口芯片,正逐渐成为通信设备(从5G基站到工业通信模块)中的重要基石。这些芯片凭借卓越性能、成本效益及灵活性,满足了现代通信基础设施的多样化需求。 1. 接口芯片在通信设备中的关键作用接口芯片作为数据交互的桥梁,是通信设备中不可或缺的核心组件。它们在设备内的各种子系统之间实现无缝数据传输,支持高速数据交换、协议转换和信号调节等功能。无论是5G基站中的数据处理,还是物联网网关
    克里雅半导体科技 2025-01-10 16:20 415浏览
我要评论
1
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦