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Buck电路传导EMI的抑制

发布时间:2021-12-29
作者:Silicon Content
阅读人数:10670

1 传导电磁干扰简介

1.1 传导电磁干扰概述

传导电磁干扰指通过导体进行传播从而干扰其他系统的电磁干扰,任何导体如导线、电感、电容都是传播传导干扰的通道。对于开关电源,Buck的输入、Boost的输出、Buck-Boost的输入和输出都会产生不连续电流,不连续电流会导致电路产生电压尖峰,电压尖峰通过PCB走线和导线会传导到各个系统从而导致干扰。电磁干扰的模型可以简单的等效为3个部分:干扰源,传导路径,和接收端。以SCT2450在车机中的应用为例,干扰源为用SCT2450搭建的Buck电路,其传播路径为PCB走线及导线,接收为供电端和其他应用电路。在进行传导EMI测试时,干扰源为测试设备(DUT),传导路径为导线,接收器为传导干扰测试设备(LISN)。

传导电磁干扰信号可分为差模信号(DM)和共模信号(CM)两种,在进行EMC提升和设计的时候要对两种信号进行区分并针对不同的信号进行相应的处理。图1为测量传导EMI的图解。


图 1 传导EMI测试图解

1.2 传导电磁干扰测试标准

常见的EMI标准有欧洲标准(EN,美国标准(FCC),国际标准(CISPR)。这些标准对于不同的应用市场有相应的针对性EMI标准,具体情况如表1所示。

1. 主要产品类别传导EMI标准

产品分类

EN标准

FCC 标准

CISPR标准

汽车

EN 55025

-

CISPR 25

多媒体,消费类

EN 55032

Part 15

CISPR 32

工业,科学和医学

EN 55011

Part 18

CISPR 11

家用电器,电动工具

EN 55014-1

-

CISPR 14-1

照明设备

EN 55015

Part 15/18

CISPR 15

不同标准对应的传导干扰限值不同,且测试频率范围也不尽相同。具体情况请查看相应标准手册。以最常见的EN55032为例,传导干扰频率测试范围在150K到30MHz。需要注意的是,在2017年3月5日之后,之前使用特别广泛的EN55022被纳入EN55032标准。EN55032分为Class A和Class B两个标准。用于居住环境的产品需要通过更严格的Class B标准,其他则只需通过Class A标准。图2为EN 55032传导EMI辐射限值标准。


EN 55032 传导干扰限值标准

2 传导电磁干扰的产生

在开关电源中,开关管周期性的通断会产生周期性的电流突变(di/dt)和电压突变(dv/dt),周期性的电流变化和电压变化则会导致电磁干扰的产生。传导电磁干扰噪声可分为差模噪声和共模噪声两种。图3所示为Buck电路中差模噪声和共模噪声路径。差模噪声电流回路与电源电流相同,因此输出电流和返回电流是反向的。一般认为差模噪声是“电流驱动”噪声,是由电路中的电流变化(di/dt)产生。共模噪声电流则是通过寄生电容,从电源线流向机壳等导体,从而形成回路。因此共模噪声的电流在电源线是同向的。一般认为共模噪声是“电压驱动”噪声,是由电路中的电压变化(dv/dt)产生。



图 3  Buck电路中的差模噪声和共模噪声

2.1 差模干扰的产生及分析

差模噪声由电路中的电流变化(di/dt)所产生。图4所示为Buck电路的电流变化,可见在Buck电路中上管电流和下管电流是突变的。这些突变电流便是差模干扰产生的源头。这些干扰电流通过电源线注入LISN,由频谱仪绘制出传导噪声曲线。


图 4  Buck电路中的电流变化

5Buck上管电流的频域分析图。开关电源中的周期性di/dt信号其频域噪声主要集中在传导EMI测试的频率范围。这个噪声是开关电源特性所致,它的产生是无法避免的。但是可以通过加输入电容和输入滤波电路在传播路径上对噪声进行抑制,以下会详细论述。


图 5  Buck上管电流的频域分析

2.2 共模干扰的产生及分析

共模噪声由电路中的电压变化(dv/dt)所产生。图6所示为Buck电路共模噪声的产生和传播路径。在开关电源中,由于开关管周期性的通断,会在SW点产生周期性电压变化(dv/dt)。这个周期性的dv/dt信号会在由寄生电容和机壳、铜皮组成的回路上产生共模电流,共模电流通过寄生电容,再经过机壳、铜皮等流向LISN


6  共模噪声的产生和传播路径

7SW点电压的频域分析图。干扰噪声以大概-20db/dec的斜率衰减,高幅值干扰噪声主要集中在传导范围频域内。开关电源中SWdv/dt是难以避免的,因此需要用共模滤波器对共模干扰进行抑制。


图 7  SW电压频域分析

3 传导电磁干扰的预防及优化

上文提到电磁干扰模型可以等效为3个部分:干扰源,传导路径,和接收端。传导电磁干扰测试时接受端为LISN。因此我们主要从干扰源和传导路径两个角度进行传导电磁干扰的预防和优化。

3.1 从干扰源进行优化

3.1.1 设置频率

EMI标准在不同频率的限值不同,可将开关频率设置在干扰限值较高的频率。如EN55032 class A 500KHz以上限值为60dBuV, 500KHz以下限值为66dBuV,因此可以考虑将开关频率设置在400KHz

3.1.2 用带有抖频功能的Buck Converter

抖频是指IC通过内部逻辑控制使得开关频率在一定范围内按一定步进进行切换,从而实现将干扰能量进行频域分散,达到降低整体干扰幅度的效果。图8为抖频效果的示意图。

SCT2450针对EMI优化进行了多项设计。其中一项便是使用了抖频功能。其抖频范围为开关频率的±6%,调制率为开关频率的1/512


图 8 抖频效果示意图

3.1.3  优化layout

· 使用低ESR电容做为输入电容并尽可能靠近芯片放置,由此来最小化输入电容和上下管组成的高di/dt回路。同时要注意电流返回路径,通过给地铺铜来提供最短路径的电流回路。回路上铺铜不能被切断。

· 将电感靠近芯片放置,在保证足够电流能力的前提下,使SW点铺铜面积最小化。由此来减少高dv/dtSW点的电场耦合。

· 对功率地和信号地单点接地,防止噪声耦合。

· 使用4层板,在中间两层铺地。提供最短电流回路,并对干扰进行屏蔽。

9SCT2450layout示例。



9  SCT2450 Layout示例

3.2 从传播路径对干扰进行吸收

3.2.1 使用共模滤波器

针对共模噪声,需要使用共模电感进行抑制。共模电感对共模电流表现为高阻状态,对差模电流则表现为低阻。因此共模电感对共模噪声有很好的抑制作用。

3.2.2  使用差模滤波器

对于差模噪声,图10所示为标准的EMI滤波器。


图 10  标准EMI滤波器

4 引用

1.  SCT2450 数据手册