升压型DCDC转换器(BOOST)降低辐射EMI的方法

发布时间:2021-12-29
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1 升压型DCDC转换器(BOOST)辐射EMI分析

1是典型的同步BOOST电路,由输入电容Cin,电感L,有源开关器件Q1, Q2以及输出电容Cout组成。同时形成4个回路,其中回路2 3(红色)为开关电流断续回路,高di/dt, dv/dt。因此, SW节点震铃明显。图中回路1 (蓝色)为电流连续回路,电感电流连续,高频噪声主要来源于SW节点开关高频噪声的传导。回路4(蓝色)为电流连续回路。但是,由于Q2电流断续,Cout的容值大小以及位置决定了回路4Vout节点高频噪声幅值。


图 1 BOOST 开关回路分析

以芯洲科技BOOST SCT12A0 EVM为例,图 2SW节点典型的开关波形(输出仅放置Bulk电容)。SW开关节点振铃幅值高达10V, 震荡频率为200MHz左右


图 2  SW 开关节点波形

3是对应于图2的实际辐射EMI测试结果,采用3m方法,蓝色为垂直方向,红色为水平方向。测试结果显示噪声在频域上的峰值在200MHz附近,与时域测试结果图2吻合。因此抑制辐射EMI峰值意味着需要大幅度降低SW节点的振铃幅值,以及振铃周期数。

图 3  辐射EMI测量幅值(CE测试标准)

2  BOOST输出电容选择

如图1所示,BOOSTCout选择有几个关键因素,1)输出纹波幅值, 2)系统稳定性需求,3SW节点的振铃幅值, 4)输出电容耐压等级(陶瓷电容容值随耐压增加而衰减)。其中 1),3),以及4)与SW节点振铃幅值,辐射EMI息息相关。


图 4 SCT12A0 原理图

1中输出回路3(包含Q2, Cout)是断续回路,必须连接一个100nF~1uF去耦电容,该去耦电容对于降低SW振铃幅值有着关键作用。以SCT12A0为例,图4为典型SCT12A0应用,C6为去耦输出电容,C7为输出大容量Bulk电容。

为了获得低的输出纹波,建议选择低ESR陶瓷电容, 通常3~422uFX5R电容可以满足大多数应用。更大的容值有利于输出电压动态响应。鉴于陶瓷电容随着电压增加,容值减小的特性,建议选择电容耐压时考虑留有足够的裕量。例如输出电压12V,建议至少选择20V或者25V耐压电容以维持足够有效的电容值。

根据输出纹波幅值要求,可以利用公式 (1) 和(2)计算最小需求电容值 COUT

V_(ripple_C)=((V_OUT-V_(IN_MIN))×I_OUT)/(V_OUT×f_SW×C_OUT)

(1)

V_(ripple_ESR)=I_Lpeak×ESR

(2)

这里:

· Vripple_C 输出纹波幅值

· Vripple_ESR 输出电容ESR导致纹波

· VIN_MIN最低输入电压

· VOUT 输出电压

· IOUT 输出电流

· ILpeak 电感电流峰值.

· ƒSW 开关频率

· ESR 输出电容ESR值.

3 Boot版图注意事项

正确的PCB版图是降低辐射EMI的必要条件,以SCT12A0为例,下文详述几点版图注意事项。

图 5 SCT12A0 版图

1) 由于输出回路是开关回路,高di/dt, dv/dt。减小回路面积至关重要,输出回路去耦电容C6必须放置在离VOUT, GND管脚最近的位置,从而降低SW振铃幅值,如下图5红色箭头所示。利用NC 管脚作为输出功率地,从而更近一步降低输出回路面积,VOUT, NC管脚铺铜尽量宽;

2) 由于SW的高频振铃同样会耦合至输入端,输入bulk电容需要尽量放置离电感,GND近的位置以减小输入回路面积。输入端去耦电容同样需要离VIN端越近越好;

3) 下层大面积铺地,降低地回路阻抗。采用8mil的过孔连接上下大地,降低热阻;

4) 从系统稳定性考虑, AGNDPGND单端相连,通过散热焊盘底部相连,(散热焊盘同时也是功率地)。当VOUT添加上C6去耦电容,并严格按照版图注意事项布板,测试波形如下图6所示。SW振铃幅值降低到6V,同时震荡明显周期变少。



图 6 添加去耦电容C6, 测试波形

4 SW开关节点噪声吸收电路选择

 SW开关节点添加对地的RC高频噪声吸收电路如图7所示,可以直接降低SW节点振铃幅值,该吸收电路通过降低dv/dt来降低SW节点振铃幅值,因此该电路会牺牲BOOST效率,1%以内。


图 7 SCT12A0采用SW节点振铃吸收电路

SCT12A0系统为例,SW高频噪声在200MHz附近,因此选择Rs=2Ohm, Cs=2nF。图7SW节点加上该吸收电路,测试结果为图8所示。相比于图2所示,SW幅值大幅降低(蓝色=SW, 绿色=VIN AC)。



图 8 添加SW振铃吸收电路,测试波形

9为添加SW节点RC吸收电路后辐射EMI测试结果。相较于图3EMI峰值下降了20dB.该测试结果是基于SCT12A0 EVM测试,无系统级EMI过滤器。

5 磁珠的选择

在系统级应用中,如果需要进一步降低辐射EMI,贴片式磁珠是最简单的选择。关于磁珠的选择,有下列几个注意事项。

1) 磁珠的频率需要覆盖高频噪声频段,根据图3,该磁珠需要在100MHz~300MHz频段表现为高阻抗值。

2) 磁珠的饱和电流需要30%高于实际工作的峰值电流

3) 磁珠的等效阻抗越低越好,有利于减少磁珠带来的功耗。

图 9 辐射EMI测试结果(带RC吸收电路)

6 引用

1)   SCT12A0 产品规格书

2)   SCT12A0 EVM 使用手册