開關電源BUCK電路傳導和輻射噪聲源和耦合路徑分析

BUCK電路為典型的開關電源電路，為降壓電路，其主要電路拓撲結構如下，隨著開關管不停的通斷，右邊的輸出電壓低于左邊的輸入電壓，從而實現(xiàn)降壓功能。

圖 開關電源BUCK電路結構圖

我們首先來分析這個電路的主要干擾源，上一篇文章我們分析了開關電源的主要干擾源主要由3部分組成，含有高頻流也就是大的di/dt回路和電壓快速變化也就是大的dV/dt動點區(qū)域，以及地線上高頻電流流過的區(qū)域形成的地噪聲。

1、BUCK電路主要干擾源頭分析

BUCK變換器中有兩個電流快速變化的大的di/dt回路；

當MOS管導通時候，二極管D截止，電流從電源流出，經(jīng)過電感L流向輸出電容，再經(jīng)地線流回電源輸入端；

當MOS管截止的時候，電感還會保持原來的電流，而續(xù)流二極管這個時候導通，從而電流從二極管流出，再經(jīng)過電感和輸出電容，再從地線上返回。

圖 兩個高頻電流輻射回路

由于這兩個回路有高頻電流流動，回路形成環(huán)天線效應會對外產(chǎn)生較大的差模輻射，因此在進行PCB布局的時候要盡可能的減小這兩個環(huán)路的面積。

BUCK變換器中有電壓快速變化的大的dV/dt動點區(qū)域；

當MOS管導通時候，下圖紅色動點區(qū)域的電壓等于輸入電壓，當MOS管關斷時候，紅色區(qū)域電壓約等于0（忽略二極管導通壓降），因此紅色動點區(qū)域電壓隨著開關頻率快速變化，是主要的共模干擾源。

圖 電壓快速變化的動點區(qū)域

由于動點區(qū)域有大的dV/dt，容易通過分布電容耦合到其它區(qū)域，產(chǎn)生共模傳導發(fā)射和輻射發(fā)射。

BUCK變換器中地噪聲較大的區(qū)域；

前面我們分析了兩個高頻電流回路，因此下圖中加粗的紅色和藍色地線都是地噪聲較大的區(qū)域，容易驅動輸入和輸出電源線對位產(chǎn)生共模輻射發(fā)射。

圖 地噪聲較大的區(qū)域

2、BUCK電路EMI傳導分析

我們首先來分析BUCK電路的差模傳導發(fā)射。

首先分析輸入回路的差模傳導發(fā)射，輸入回路的差模傳導發(fā)射直接影響到我們CE102的測量，在分析差模傳導發(fā)射時候，可以將LISN近似等效為2個50歐姆的電阻。

圖 BUCK電路輸入端差模傳導發(fā)射分析

輸入回路的差模傳導發(fā)射是由于開關管Q開關形成的高頻開關電流引起的，高頻開關電流一部分經(jīng)過輸入電容回流形成回路，但是由于輸入電容是個大電容，一般有較大的ESL和ESR，所以會導致一部分電流經(jīng)過兩個50歐姆電阻回流，流過50歐姆電阻的電流產(chǎn)生的電壓形成了我們的差模傳導發(fā)射。

我們?nèi)绾谓档筒钅鲗Оl(fā)射呢？最簡單的思路就是我們增加兩個50歐姆電阻回路的阻抗同時減小流過電容回路的阻抗，這正是EMI濾波器的功能。

我們在輸入輸出電源線上同50歐姆電阻串聯(lián)了差模電感，增加了阻抗，同時在大的輸入電容旁邊并聯(lián)了一個高頻小電容，緩解了大電容高頻濾波不足的能力。通過這種方式我們讓Q1開關的高頻擾動電流盡可能的從電容回流，減小從兩個50歐姆電阻的回流，從而減小了差模傳導發(fā)射。

圖 加入EMI濾波器

圖 引入的差模EMI濾波器

接下來我們分析輸出回路的紋波電壓。

因為輸出回路我們不涉及到傳導發(fā)射，傳導發(fā)射是對輸入電源線的影響。對于輸出回路我們希望盡可能的減小紋波電壓，主要有以下兩方面考慮：（1）紋波電壓越小，給負載提供的電質(zhì)量越好；（2）輸出電源線上的紋波電壓會對外產(chǎn)生輻射，紋波電壓越小，這種輻射效應也越少，我們需要控制紋波電壓控制DC/DC輸出回路對外輻射。

圖BUCK電路輸出端紋波電壓分析

對于輸出回路，由于流過電感的電流在不停的變化，這種高頻電流一部分經(jīng)輸出電容回流，還有一部分流過負載電阻。在輸出電容旁邊并聯(lián)一個高頻小電容，減小流過負載的高頻電流，減小輸出紋波電壓。

圖BUCK電路輸出端紋波電壓分析

接下來我們來分析BUCK電路的共模傳導發(fā)射。

共模電流是有大的dV/dt動點區(qū)域驅動，共模電流通過寄生電容回流。寄生電容主要有兩塊，一個是動點區(qū)域到地的寄生電容，還有一個是輸出對地的寄生電容。因此共模電流一部分從輸入回路返回，一部分從輸出回路返回。

圖 輸入回路的共模電流

對于輸入回路，流過50歐姆的共模電流會引入傳導發(fā)射問題，因此，希望流過50歐姆的高頻共模電流越小越好，那么如何去做呢，我們可以通過引入共模EMI濾波器。

圖 引入共模濾波器輸入回路主要的共模電流

由于50歐姆電阻上串聯(lián)了共模電感，增加了共模電流的阻抗，而共模電阻又是低阻抗的，所以大部分共模電流會從共模濾波電容回流，減小了流過LISN(50歐姆電阻)的共模電流，從而減小了共模傳導發(fā)射。

圖 輸出回路主要的共模電流

對于輸出回路的共模電流，不會帶來傳導發(fā)射問題，但是會增加輸出電壓的紋波電壓，可以通過在輸出電容兩端并一個小的高頻電容，這樣輸出回路共模電流主要從高頻小電容回流，減小輸出端的紋波電壓。

圖 增加高頻濾波電容后輸出回路主要的共模電流

3、BUCK電路EMI輻射分析

BUCK電路的EMI輻射主由三部分構成：高頻差模電流回路產(chǎn)生的輻射，高頻共模電流回路產(chǎn)生的輻射和地線上噪聲驅動電纜產(chǎn)生的輻射。

首先我們來看高頻差模電流回路產(chǎn)生的輻射。

圖 差模電流輻射

通過在輸出輸出電容兩端并聯(lián)高頻小電容，從而使高頻電流從高頻小電容回流，同時在PCB布局的時候盡可能減小其回路面積，從而減小差模輻射。

圖 增加高頻電容減小差模電流輻射

接下來我們來看地線上高頻電流驅動電纜產(chǎn)生的輻射。

地線上的高頻電流流過形成噪聲電壓，噪聲電壓驅動外部電源線形成單極子天線模型產(chǎn)生輻射。

圖 地噪聲電壓驅動外部電源線產(chǎn)生輻射

解決地上的噪聲我們主要要在PCB布局的時候盡可能的將高頻電流流過的地線布的粗而短，充分的減小地線的阻抗，從而減小地上的高頻共模噪聲電壓，最終減小其驅動電纜對外產(chǎn)生的輻射。

最后我們來共模電流回路產(chǎn)生的輻射。

圖 輸入回路共模電流產(chǎn)生的輻射

對于輸入回路可以通過增加EMI濾波器從而減小輸入高頻共模電流回路的面積，從而減小共模輻射。

圖 增加EMI濾波器后輸入回路共模電流產(chǎn)生的輻射

對于輸出回路，增加高頻電容濾波同樣減小了輸出回路的共模輻射。

由于篇幅有限，這里主要分析了BUCK電路的主要噪聲源和耦合路徑分析，主要讓大家對噪聲源和耦合路徑有更好的了解。還有一些其它的減小輻射發(fā)射的方法，比如開關頻率抖動，在開關管源級和漏級增加吸收電路等，這些都是從源頭上降低開關電源EMI問題的方法。