五步驟設(shè)計(jì)出符合電磁兼容性的 DC/DC 開關(guān)電源

DC/DC開關(guān)電源由于其效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可或缺的一環(huán)，其重要性不言而喻。由于設(shè)計(jì)上采用的開關(guān)型器件會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)快速的電壓變化率和電流變化率，產(chǎn)品在電磁兼容性的測(cè)試上容易出現(xiàn)問(wèn)題并使得開發(fā)周期變長(zhǎng)，影響產(chǎn)品上市時(shí)間，對(duì)于應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜的工業(yè)類產(chǎn)品此問(wèn)題顯得尤為突出。

本文將從干擾源、元器件、濾波器以及布局等幾個(gè)方面對(duì)DC/DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)提出相關(guān)的注意事項(xiàng)，幫助工程師們了解如何設(shè)計(jì)出符合電磁兼容性的DC/DC開關(guān)電源。

一、 了解DC/DC開關(guān)電源中噪聲源

要處理DC/DC開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁兼容問(wèn)題，首先需要對(duì)電源產(chǎn)生的噪聲源進(jìn)行分析，找到造成輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)的源頭。在使用開關(guān)電源的情況下，除去開關(guān)頻率及其諧波造成的干擾外，暗室測(cè)量中還會(huì)顯示30 MHz至400 MHz的寬帶干擾頻譜，原因之一是開關(guān)管陡峭的開關(guān)沿，例如MOSFET輸出電容CDS、結(jié)電容和反向恢復(fù)肖特基二極管的寄生電容和導(dǎo)體走線的寄生電感共同導(dǎo)致高頻LC振蕩電路。下圖所示為造成輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射的噪聲源。

此外，根據(jù)DC/DC開關(guān)電源不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要關(guān)注的著重點(diǎn)會(huì)存在一定差異，比如下圖所示的BUCK電路由于輸入端電流的不連續(xù)性，其含有高頻成分更多，因此輸入端的環(huán)路控制及濾波器會(huì)更加關(guān)鍵。

而如下圖所示的BOOST電路由于關(guān)鍵環(huán)路的不同，其著重點(diǎn)應(yīng)該放在輸出環(huán)路上。當(dāng)然重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵環(huán)路并不意味著其他環(huán)路部分可以忽略。

二、 設(shè)計(jì)DC/DC開關(guān)電源中輸入濾波器

現(xiàn)代DC/DC開關(guān)電源中通常具有從250 kHz到4 MHz的開關(guān)頻率。如下圖所示，LC濾波器特別適合于控制基波及其高次諧波，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)每十倍頻最高40 dB的抑制，并且還可以達(dá)到低至kHz范圍的截止頻率。在實(shí)際應(yīng)用中，合適的經(jīng)驗(yàn)法則是將濾波器的截止頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的約十分之一，當(dāng)然在電磁兼容性測(cè)試中如果存在超出限值仍然過(guò)高的情況下，還可考慮將截止頻率設(shè)置得更低，從而增加抑制效果。

在加入濾波器設(shè)計(jì)后，實(shí)際在某些情況下，DC/DC開關(guān)電源的輸入端可能會(huì)發(fā)生振蕩。這種振蕩是由所謂的負(fù)輸入阻抗及加入的LC濾波器電路共同引起的，此時(shí)濾波器電路的電感和電容作為一個(gè)放大諧振峰的諧振電路。當(dāng)前處理這種不良影響的最佳方法是主動(dòng)抑制LC濾波器電路，通常會(huì)通過(guò)如下圖所示加入RC串聯(lián)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這種方法的目的是使諧振電路因子Q 值降低，從而減小發(fā)生諧振時(shí)的濾波器阻抗，如下圖所示，可以看到加入RC串聯(lián)電路之后濾波器的阻抗在諧振頻點(diǎn)已經(jīng)下降。

在許多情況下，也有使用具有較高ESR的電解電容器代替，但需要注意的是，ESR是一個(gè)會(huì)隨頻率和溫度發(fā)生變化的參數(shù)。采用伍爾特的REDEXPERT在線平臺(tái)可以看到頻率對(duì)于ESR帶來(lái)的影響，如下圖所示，圖中是一顆10uF/ 50V的鋁電解液電容對(duì)應(yīng)ESR隨頻率的變化曲線。

此外，如果要增加濾波器高頻處（例如大于10MHz）的濾波效果，可以考慮加入磁珠，下圖中通過(guò)仿真軟件LTspice給出了LC濾波器以及加入磁珠L(zhǎng)4之后組成的LCL濾波器在噪聲抑制特性上的差異，可以看到增加磁珠之后對(duì)于濾波器在高頻處噪聲抑制效果帶來(lái)的好處，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要注意電流對(duì)于磁珠阻抗的影響。

三、 設(shè)計(jì)DC/DC開關(guān)電源中輸出濾波器

輸出端濾波器同樣有其需要注意的地方，如下圖所示，為了增強(qiáng)高頻抑制特性，輸出端加入了包含磁珠的濾波器，但考慮在輸出電流較大的情況下電感以及磁珠的直流電阻RDC帶來(lái)的影響，將濾波器放入了DC/DC開關(guān)電源的反饋網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，從而消除直流壓降帶來(lái)的影響。

但反饋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的濾波器件可能會(huì)帶來(lái)不希望的相移，從而使得開關(guān)電源的環(huán)路穩(wěn)定性出現(xiàn)問(wèn)題，降低環(huán)路的增益裕量和相位裕量。在極端情況下，甚至?xí)沟铆h(huán)路不穩(wěn)定并導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生振蕩。實(shí)際設(shè)計(jì)中，增益裕量要求大于12dB且相位裕量大于45°的環(huán)路能夠保證環(huán)路的穩(wěn)定性，從而使得在外界的激勵(lì)下輸出不會(huì)產(chǎn)生振蕩。下圖中是針對(duì)一個(gè)穩(wěn)定的BUCK電路進(jìn)行反饋環(huán)路測(cè)試之后繪制的伯德圖，從中可以看出增益裕量為32dB和相位裕量為56°。

環(huán)路補(bǔ)償通?？梢宰鳛榄h(huán)路穩(wěn)定性出現(xiàn)問(wèn)題的主要措施，但需要硬件工程師掌握一定的自動(dòng)控制理論知識(shí)，同時(shí)熟悉不同補(bǔ)償電路的方案以及結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。此外，所有工作在連續(xù)模式下的BOOST電路在做環(huán)路補(bǔ)償時(shí)還需要考慮到右半平面零點(diǎn)RHPZ的問(wèn)題，進(jìn)一步加大了環(huán)路補(bǔ)償?shù)碾y度。所以，可以嘗試將濾波器電路放置在反饋環(huán)路網(wǎng)絡(luò)之外，通過(guò)挑選直流電阻RDC更小的磁性器件來(lái)減小壓降帶來(lái)的影響。

四、DC/DC開關(guān)電源中如何器件選型

電感作為DC/DC開關(guān)電源中的關(guān)鍵器件之一，不僅發(fā)揮著儲(chǔ)存?zhèn)鬟f能量、濾波等作用，對(duì)于開關(guān)電源的效率及成本也有較大的影響，此外電感的發(fā)熱及損耗問(wèn)題是工程師們很關(guān)注的問(wèn)題，利用REDEXPERT在線平臺(tái)，可以快速、輕松、精確地選擇合適的電感（功率電感選型請(qǐng)參考文檔ANP039），同時(shí)還可以根據(jù)不同器件復(fù)雜的交流和直流損耗、器件產(chǎn)生的溫升以及它們的規(guī)格參數(shù)如尺寸、額定電流等，對(duì)它們進(jìn)行比較。下圖中是對(duì)電感的在BUCK-BOOST電路中一個(gè)應(yīng)用案例，當(dāng)輸入相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，即可方便得到電感的損耗及溫升等，由于平臺(tái)中采用了更符合實(shí)際工況的模型以及加入了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的公式法其給出的結(jié)果會(huì)更貼近實(shí)際情況，電路詳細(xì)設(shè)計(jì)請(qǐng)參考ANP049。

陶瓷電容MLCC由于體積小，寄生參數(shù)ESL及ESR小等優(yōu)勢(shì)常常會(huì)受到工程師們的青睞，但當(dāng)使用二類MLCC（如X7R及X5R等）作為濾波器時(shí)，需要考慮陶瓷電容實(shí)際工作時(shí)受到電壓偏置及溫度等帶來(lái)的影響。下圖中為通過(guò)REDEXPERT在線平臺(tái)看到的一顆10uF/ 50V的X7R電容容值隨外部施加電壓及溫度的變化曲線。

可以看到使用二類陶瓷電容受電壓及溫度的影響會(huì)使得濾波器截止頻率將在工作中發(fā)生較大程度的偏差，這也是在設(shè)計(jì)用于DC/DC開關(guān)電源的濾波器，當(dāng)二者容量相當(dāng)時(shí)，還會(huì)經(jīng)常見到使用體積較大的鋁電解質(zhì)電容器的原因。

五、 DC/DC開關(guān)電源中器件的布局布線

為降低DC/DC開關(guān)電源造成的傳導(dǎo)發(fā)射及輻射發(fā)射等電磁兼容性問(wèn)題概率，對(duì)于開關(guān)電源而言從器件布局布線的角度來(lái)減小環(huán)路面積以及保證濾波器的性能發(fā)揮至關(guān)重要。通常這些措施包含但不限于：

1. 將關(guān)鍵環(huán)路涉及的器件盡量擺放在一起從而減小環(huán)路面積；

2. 針對(duì)高頻濾波的陶瓷電容盡量放置在開關(guān)管或IC等產(chǎn)生快速的電壓變化率和電壓變化率的地方；

3. 通過(guò)短而粗的走線來(lái)減小走線寄生感抗，特別是接地線的處理；

4. 通過(guò)加入多個(gè)過(guò)孔來(lái)減小其寄生電感；

5. 合理連接信號(hào)地和功率地，通過(guò)單點(diǎn)連接能夠保證信號(hào)地盡量少得被功率地干擾；

6. 對(duì)于表層大面積覆銅需要合理使用以免形成不必要的天線；

7. 布置輸入和輸出濾波器電路時(shí)，盡可能消除與電路主要部分的容性和感性耦合；

8. 濾波器電路下面沒(méi)有覆銅，如有中間層也是如此處理，從而避免高頻噪聲的耦合；