電源EMC專輯：2400字解讀“Buck電路的EMI高風(fēng)險區(qū)”

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前面寫過一些emc相關(guān)的文章，感覺放在“器件應(yīng)用”專輯中不太合適，所以專門做一個“電源EMC解析”的付費(fèi)專輯。這里會專門探討電源相關(guān)EMC的設(shè)計和解析。

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

之前在公眾號發(fā)了一張關(guān)于“Buck電路的EMI高風(fēng)險區(qū)”的手繪圖，有同學(xué)私信我讓講講為啥是高風(fēng)險區(qū)，說明這位同學(xué)確實在思考，才有自己的疑惑。既然如此，那我們今天就聊一聊這個問題。



一道問題


照例，先拋出來一道問題：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)險區(qū)？

要搞清楚這個問題，重點(diǎn)在于弄清楚背后的邏輯。在硬件崗位的面試過程中，這個問題大概率是遇不到的，但是這對我們硬件設(shè)計和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，電流環(huán)路為從Vin正極-->Q-HS-->L-->Cout/Rload-->Vin負(fù)極。此時的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，電流環(huán)路為L-->Cout/Rload-->Q-LS-->L。此時的Q-LS中的電流波形為：




上述兩個環(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程，具有很高的di/dt。波形的上升沿時間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，測試就這樣fail了。

如果對上面說的“放大Q倍”不了解的同學(xué)，可以查看“振鈴系列”文章《信號振鈴遇到過沒？來聊聊為啥(終結(jié)篇) -- 消除振鈴》，共5篇哈。不要偷懶，相信認(rèn)真讀完后，你必然會有收獲！



上面說的是紫色區(qū)域，我們再看下藍(lán)色區(qū)域。由于兩個環(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，但是沒有出現(xiàn)激增和驟降的突變點(diǎn)，沒有高di/dt，則高頻分量就少很多。



一個開關(guān)節(jié)點(diǎn)



上節(jié)說了兩個電流環(huán)中存在高di/dt部分，會存在高頻分量。這里再說下電壓部分，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。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)計中時常被提及的，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30萬和年薪40萬的硬件工程師的區(qū)別之一。

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