電源EMC專(zhuān)輯：2400字解讀“Buck電路的EMI高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”

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前面寫(xiě)過(guò)一些emc相關(guān)的文章，感覺(jué)放在“器件應(yīng)用”專(zhuān)輯中不太合適，所以專(zhuān)門(mén)做一個(gè)“電源EMC解析”的付費(fèi)專(zhuān)輯。這里會(huì)專(zhuān)門(mén)探討電源相關(guān)EMC的設(shè)計(jì)和解析。

這篇文章在之前發(fā)過(guò)，現(xiàn)在重新發(fā)一次并收錄在EMC專(zhuān)輯內(nèi)。

之前在公眾號(hào)發(fā)了一張關(guān)于“Buck電路的EMI高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”的手繪圖，有同學(xué)私信我讓講講為啥是高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，說(shuō)明這位同學(xué)確實(shí)在思考，才有自己的疑惑。既然如此，那我們今天就聊一聊這個(gè)問(wèn)題。



一道問(wèn)題


照例，先拋出來(lái)一道問(wèn)題：如上圖Buck電路所示，同屬于Buck電路的電流回路，為什么藍(lán)色區(qū)域不是的EMI高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)？

要搞清楚這個(gè)問(wèn)題，重點(diǎn)在于弄清楚背后的邏輯。在硬件崗位的面試過(guò)程中，這個(gè)問(wèn)題大概率是遇不到的，但是這對(duì)我們硬件設(shè)計(jì)和EMC調(diào)試卻是至關(guān)重要。所以，我們有必要細(xì)聊一下。


兩個(gè)電流環(huán)


我們重溫下到Buck電路的電流環(huán)路。

①當(dāng)上管Q-HS導(dǎo)通，下管Q-LS關(guān)斷時(shí)，電流環(huán)路為從Vin正極-->Q-HS-->L-->Cout/Rload-->Vin負(fù)極。此時(shí)的Q-HS中的電流波形為：



②當(dāng)上管Q-HS關(guān)斷，下管Q-LS導(dǎo)通時(shí)，電流環(huán)路為L-->Cout/Rload-->Q-LS-->L。此時(shí)的Q-LS中的電流波形為：




上述兩個(gè)環(huán)路中，Q-HS和Q-LS電流都是不連續(xù)的，都存在電流激增和驟降的過(guò)程，具有很高的di/dt。波形的上升沿時(shí)間Tr越短，變化率越大，蘊(yùn)含的高次諧波分量就越多。高di/dt，就會(huì)產(chǎn)生高次諧波分量。
前方高能！

這些高頻分量，結(jié)合器件和PCB的寄生電容和分布電感在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)發(fā)生諧振，能量被妥妥地放大Q倍（品質(zhì)因數(shù)），再利用寄生電容提供的傳輸通路，高頻噪聲就這樣被LISN或其他設(shè)備接收到，測(cè)試就這樣fail了。

如果對(duì)上面說(shuō)的“放大Q倍”不了解的同學(xué)，可以查看“振鈴系列”文章《信號(hào)振鈴遇到過(guò)沒(méi)？來(lái)聊聊為啥(終結(jié)篇) -- 消除振鈴》，共5篇哈。不要偷懶，相信認(rèn)真讀完后，你必然會(huì)有收獲！



上面說(shuō)的是紫色區(qū)域，我們?cè)倏聪滤{(lán)色區(qū)域。由于兩個(gè)環(huán)路都流經(jīng)了電感L和負(fù)載Cout/Rload，電感L中的電流是兩個(gè)電流環(huán)重疊部分的累加，波形為：



從波形上看，電感L中的電流是連續(xù)的。雖然電流一直在波動(dòng)，但是沒(méi)有出現(xiàn)激增和驟降的突變點(diǎn)，沒(méi)有高di/dt，則高頻分量就少很多。



一個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)



上節(jié)說(shuō)了兩個(gè)電流環(huán)中存在高di/dt部分，會(huì)存在高頻分量。這里再說(shuō)下電壓部分，在紫色區(qū)域同樣存在高dv/dt。

我們看下SW節(jié)點(diǎn)波形，如下圖所示：




標(biāo)準(zhǔn)的矩形波，電壓波形跳變具有明顯的激增和驟降，存在高dv/dt，高頻分量飽和程度也是拉滿(mǎn)。結(jié)合上節(jié)提到的寄生電容和分布電感，給共模噪聲的產(chǎn)生做了巨大貢獻(xiàn)。SW節(jié)點(diǎn)電壓跳變所產(chǎn)生的高dv/dt就是共模噪聲的源頭。

上述兩點(diǎn)都是在紫色區(qū)域發(fā)生，而不是在藍(lán)色區(qū)域。所以紫色區(qū)域至關(guān)重要。

你以為這樣就結(jié)束了？當(dāng)然不是!
這才是今天要聊的4點(diǎn)中的前2點(diǎn)。這兩點(diǎn)在EMC設(shè)計(jì)中時(shí)常被提及的，但是還有兩點(diǎn)，也要需要重點(diǎn)考慮，卻經(jīng)常被人遺忘。如果考慮不周，輕則修改電路參數(shù)，重則PCB直接要改版。

后面2點(diǎn)，或許就是年薪30萬(wàn)和年薪40萬(wàn)的硬件工程師的區(qū)別之一。

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