BUCK 电路影响接收机灵敏度原因初探

佟 刚

（深圳瑞车品有限公司，广东 深圳 518000）

1 概述

汽车车载电池电压域：12V、24V、36V，信号的电压域：1.8V、3.3V比较多，电池电压转换到信号电压域，应用BUCK或BUCK-BOOST开关电源电路。开关电源优点效率高，事情都有其两面性，开关电源由于自身的开关频率，副作用是干扰。一旦电路设计完成，发现电源BUCK耦合干扰通信部分灵敏度，若前期设计没预留处理措施，PCBA已回板，结构、硬件就成既定事实，有EMI干扰（传导干扰和辐射干扰），只能想方法改善和优化，不能完全解决，遇到通过认证或灵敏度要求高的地方，只能重新设计，时间和机会就流失掉了。尽量做到事前预防，事后少补救，补救时也留有预留，以便硬件不用改版也能处理意想不到的干扰问题，是设计人员需要具备的能力。

2 BUCK开关电源电路工作原理

开关电源降压型BUCK工作原理见图1，外部输入的电源V1（汽车备用电池电压）：12V（小汽车14V）、24V（轻型载重车28V）、36V（重型卡车42V），经S1开关（一般用低压降的MOS管，内阻几十毫欧），S1开关受V2的控制，V2内部频率大概范围200kHz～3MHz，V2触发是受输出电压和内部基准电源控制（输出电压与基准电压源比较产生控制电压波形，具体电压波形见图2）。

图1 BUCK工作原理图

图2 电压波形图

V1的输入电压S1开关闭合，电能馈入电感，电感储能器件，电压不能突变，具体电压变化见公式（1），电感先储能（图3），再通过电感将电能加到负载（电阻R1）。电容C1是储能器件，流过电容的能量不会突变，电流变化见公式（2），经电感来的微变矩形波具体见图4。

图3 电感先储能

图4 经电感来的微变矩形波

式中：V——电感的电压，V；L——电感量，H；i——电感电流，A；t——时间，s。

式中：I——电流，A；C——电容容量，F；V——电压，V；T——时间，s。

开关S1断开，负载能量就由储能器件L1提供续流，二极管D1是电流回流路径，电流经二极管回到电感，电感电流变化见图5。

图5 电感电流变化图

3 开关电源BUCK产生EMI原因

3.1 BUCK构成电环路干扰

图6为开关电源BUCK电路组成的回路，Q1导通，电源Vin通过Q1到电感L1送到负载，然后回到电源负端红色部分组成主回路，通过电感放电经负载和Q2组成副回路，见蓝色区域。这部分电路包含区域，有电小环天线效应，有对外辐射无线信号的能力。

图6 开关电源BUCK组成低阻抗环路图

BUCK组成低阻抗环路（天线自由空间阻抗377Ω，而BUCK电路阻抗远小于该值），通常讨论的干扰交变磁场干扰、电场干扰是磁干扰，BUCK电路电场或磁场干扰都是近场干扰，当信号离开这个环路0.16λ后，磁场干扰变成电磁场干扰，电场干扰是主要干扰，电场干扰见公式（3）：

式中：E——电场强度，V/m；I——电流强度，A；R——被干扰设备到开关电源距离，m；A——BUCK电路围城的面积，m；λ——BUCK电路干扰信号波长，m；θ——被干扰设备与电源夹角，（°）。BUCK电路构成电环路干扰频率50～300MHz。

3.2 器件寄生产生过冲或下冲产生的干扰

图7 欠阻尼波形

图8 谐波

3.3 BUCK电路谐波干扰

BUCK电路主要干扰频率范围50～400MHz，而现阶段通信频段从400～3800MHz，不是BUCK电路直接干扰而是BUCK干扰信号谐波干扰。以300～400MHz BUCK电路干扰为例，其正弦波、余弦波信号见泰勒级数展开式公式（4）～（5）。

从公式（4）～（5）sinx、cosx展开式可以得到结论，奇数谐波2次、3次、5次谐波可以作为我们关注的主要干扰（偶次谐波发生在BUCK电路走线不均衡，高频高次谐波没偶次谐波），其它高次谐波振幅太小，功率低干扰可以忽略不计。比如320MHz 3次谐波，假设干扰功率0.003W，干扰功率0.0000045W（-54dBm），而通信接收机比如GSM 900接收灵敏度大都要求＜-100dBm，稳定通信情况下，-70～80dBm，通信电路受到BUCK电路同频干扰，灵敏度下降到不能正常通信。

4 BUCK电路干扰通信灵敏度解决方法

1）BUCK电路自己构成电路环干扰通信电路解决方法，输入、输出电路紧凑布局，形成电小环区域尽量小，这样辐射出去电场强度变小。见公式（3），A取值变小，电场强度E变小。

2）器件寄生产生干扰，解决方法在相应电路加电阻、电容器件，改进后的电路见图9。

图9中R26、C1、R67、C49就是为了去除电路欠阻尼振铃。R67取值见公式（7）。

图9 改进后的电路图

式中：R——电阻，Ω；§——抑制因子，0.5～1；L——电感量。由公式（7）确定：

式中：C——振铃信号频率相应滤波电容，一般取电容容值1/3；F——振铃信号频率。特别注意R和C取值不能过大，否则影响BUCK电路的效率，R取＜10Ω，一般取2.2Ω。C取小于510pF，一般取100pF。

3）BUCK电路加屏蔽罩。BUCK电路作为干扰源，在电路上加屏蔽罩，去掉干扰，通信接收机灵敏度就正常了。

4）干扰GPS信号。BUCK电路干扰GPS接收机（弱信号，追踪灵敏度-148dBm，在轨灵敏度-165dBm），主要原因是BUCK电路过冲或下冲信号300～400MHz，5次谐波干扰GPS 1575MHz信号影响接收灵敏度（L1频段）。解决方法：仔细调整图9中R26、C1、R67、C49，使欠阻尼振铃信号幅度下降，同时振荡频率下降，现在还有GPS 1176MHz（L5 频段），若受到干扰，需要从BUCK电路环路和过冲两种方法中找答案。

5）BUCK 电路反向干扰电源。BUCK电路EMI污染电源，整体电路都有EMI问题，在BUCK 电路输入加“L”型电路，滤除反灌EMI。

5 结论

BUCK电路在车载设备应用比较广泛，新能源车大面积推广，自动驾驶浪潮，车载电子带有通信系统比较常见，系统间EMI问题越发严峻。设计人员最好在设计开始做好预留，使问题一经发现就能解决，设计更加平顺。