同步降压电路的EMI改进

2015-01-02程曼丽

科技视界 2015年4期

程曼丽

（飞利浦〈中国〉投资有限公司，中国上海200230）

开关电源中，降压Buck电路是常见的一种，它主要分为常规的buck和同步buck。常规的buck主要有功率MOSFET,二极管和电感组成。同步buck把其中的二极管用另一个功率MOSFET代替，可以大大减小在电流连续模式时普通的buck回路里二极管的损耗。一般同步buck主要应用在大电流CCM模式。

本实验中所测同步buck，采用了相应的改进EMI措施，以加强其电磁兼容性（EMC）。

1 同步Buck系统的电磁干扰分析

下面讨论EMI产生的原因。实验所测同步Buck主电路主要由功率MOS管上管Q1、功率MOS管下管Q2、电感L、滤波电容C组成。输入端为36V，输出端是24V，输出电流为13A。该电路工作在电流连续模式。

当上管MOSFET Q1打开时，电流通过输入、Q1、电感L流向负载。Q1关断时，通过肖特基二极管D2续流直到下管MOSFET Q2打开。然后由Q2续流直到它被关断，然后由二极管续流，一直到下一个周期启动。该电路流过电感和输出电容的电流是连续的，不是电磁干扰的主要来源。存在问题的主要是流过Q1，Q2，D2的电流和电压波形，它们分别是阶跃波和方波，能产生高频的谐波干扰。因此该电路的骚扰源主要是功率开关器件Q1，Q2的高速开关动作和整流二极管的反向恢复产生的电流的变化（di/dt）及电压的变化(dv/dt)以传导和辐射的方式在周围环境中产生EMI干扰。同时Q1，Q2在开关过程中还通过寄生电感和杂散电容产生振荡，开关过程越快，振荡越明显，电压尖峰越高，EMI越强。

2 电磁干扰的抑制措施

2.1 开关频率

减小开关频率会改善EMI。本实验中，开关频率由初始的100kHz降为80kHz。相关文献表明采用抖频技术，也可以分散谐波干扰的能量并显著改善EMI，采用频率抖动技术时，谐波幅值可以减低并变得光滑，高次谐波接近连续响应。因为时间关系，本实验中没有验证，但是不失为一种解决EMI考虑的方向。

2.2 合理设计MOSFET驱动

本设计中适当增大MOSFET驱动电阻，可以使开关管的开关变慢，显著减小di/dt和dv/dt。

2.3 缓冲snubber电路

为了抑制高频开关MOSFET和续流二极管，可以增加和优化snubber缓冲电路。本实验中采用的是在上管Q1和下管Q2两端都并上RC缓冲电路进行抑制，它可以减缓开关管的漏极和源极之间的电压上升率。

当MOSFET关断时，寄生电感中的能量通过缓冲电阻R对缓冲电容C充电。缓冲电容越大，产生的尖峰电压就越小，当MOSFET导通时，缓冲电容C中存储的电压尖峰的能量通过缓冲电阻R消耗掉。

2.4 滤波电容

高频电流应该由输入电容和输出电容旁路掉，需要确保输入输出电容在所关心的频率下具有足够低的阻抗。电容引线尽量短，以减小导线电感。在尽量靠近Q1漏极的地方增加高频电容，过滤高频信号。

2.5 输入导线套磁环

输入端加磁环应确保其输入阻抗在需要抑制的频段保持高的阻抗以起到阻隔作用。本实验所加镍锌磁芯的阻抗在30MHz～100MHz为150～250 Ohm。

2.6 MOS管上套磁珠

磁珠在不同地方起到的作用不同，可以在MOS管上套磁珠，MOS管上套磁珠主要是抑制开关尖峰或高频振荡，在不同的管脚上起的作用也不同。实验验证在上管S端，下管D端套小磁珠均有作用，一般推荐在MOS管D端套小磁珠，以避免对GS驱动波形造成影响。最佳选择为非晶小磁珠，它有很好的饱和特性，它在很小的磁场强度下立即饱和，只在极短的时间内产生一定阻抗，可以抑制电流的尖波。

2.7 散热片接地

由于电流连续工作模式，且电流很大，MOSFET一般选择TO-220器件，且必须加散热片连接于MOSFET漏极。Q2的漏极电压是高频变化，最好将其与散热器电气隔离，避免使散热片成为辐射天线。然而散热片和大地之间具有一定的分布电容，随着MOSFET开关，迅速变化的漏极电压仍然会通过分布电容向大地流入电流。因此将散热片直接接到PCB的地上以获得稳定电平可以有效抑制EMI。

2.8 PCB布板

PCB板上元器件的放置和布线设计对开关电源EMC性能有极大的影响。在高频开关电源中，PCB板上既有低压小信号控制线，又有高压大电流电源线，同时还有各种高频功率开关以及磁性元件，如何在PCB板有限空间内合理放置元器件位置，以及合理布线将直接影响电路中各元器件的抗干扰性和工作的可靠性。

1）放置MOSFET Q1、Q2、电感L、输入电容和输出电容时要注意这些元器件要尽可能的彼此紧靠，特别是Q2和输入输出电容的地连接，以及输入电容和Q1的连接。这样有助于最大限度减小电流回路的尺寸，尤其是那些大电流的回路。电流环越大，不仅对外辐射磁场越大，还会增加杂散电感，在载有高频电流的线上引起电压尖刺。同时，电路环路之间的非金属区域应尽可能的小，而走线宽度应尽可能大，以达到最低磁场强度。

2）在布线时使开关管Q2的漏极连线尽量短、粗，以减小导线的寄生电感。该节点会产生电场辐射，缩小节点面积，并在邻近设置地平面,屏蔽该电场。但是也不能太近，否则会增加杂散电容，降低效率，导致电压振铃。

3）高频回路尽量避免出现过孔，因为过孔的感应系数较大。过孔可用于连接主开关回路和其他回路，其杂散电感有助于将快速电流限制在局部平面。

4）其他元件包括控制器IC等低电平信号，为避免串扰，应与功率元件分开放置。可以设置数字地以区分主功率回路的模拟地。模拟地和数字地应只在一点连接

5）在设计印刷电路板时，应尽量降低电源线和地线的阻抗。因电源线、地线和其它印刷线都有电感，当电源电流变化较大时，会产生较大压降，而地线压降是形成公共阻抗干扰的重要因素，所以应尽量缩短地线，尽量加宽电源线和地线。

6）辐射噪声表现为电场或磁场的形式，电场强度正比于电位差，反比于距离。在电路板上，利用多层线路板，在电路与高电位之间设置一个接地层，就可以对电场起到屏蔽作用，减小电场干扰。本实验PCB选择四层板，中间一层布线时尽量使其成为完整的地平面。