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每周了解几个硬件知识+BUCK电路电磁干扰知识分享

工程师
2024-11-29 17:37:02     打赏

BUCK电路电磁干扰的来源,BUCK电路通过功率管的不断打开与关断,实现对电感的充电与放电,从而实现电压变换。

在这个过程中,由于功率管和续流二极管的快速切换,导致电流不连续,进而产生尖峰电压。这个尖峰电压是电磁干扰的主要来源,其大小与电流回路中的寄生电感以及电流的变化率成正比(V=L×di/dt)。


一、电磁干扰的具体来源

功率开关管在高速开关过程中,会产生很高的毛刺电压和电流变化率,这是电磁干扰的主要骚扰源。

续流二极管在关断过程中会有反向恢复电流,这也是一个重要的骚扰源。反向恢复电流会在寄生电感上产生毛刺电压,进而产生电磁干扰。

在BUCK电路中,如果存在高频变压器,其漏感和分布电容也会成为电磁干扰的来源。

电路中的寄生电感、寄生电容等寄生参数,会在开关过程中产生电磁振荡,进而产生电磁干扰。


二、降低电磁干扰的方法

1、通过优化电路设计,缩短功率管、电感、电容等元件之间的连接线路,减少寄生电感,从而降低尖峰电压和电磁干扰。

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当功率管 Q1 打开时,电流回路是 CIN->Q1->L1->COUT;

当 Q1 闭合时,电流回路是 L1->COUT->D1;

不论功率管 Q1 打开还是关断,电流均流过 L1 和 COUT,表明流过 L1 和 COUT 处电流是连续电流, 流过 CIN、Q1、D1 的电流是开关电流,开关电流会在寄生电感上产生毛刺电压,对外辐射电磁波。

由 V=L*di/dt 可知,在 di/dt 不变的条件下,可以通过缩短 CIN、Q1、D1 的电流回路,来减少开关电流回路的寄生参数,从而实现降低系统产生 的电磁辐射。


2、通过引入软开关技术,零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS),可以降低开关过程中的电压和电流变化率,从而减少电磁干扰。

3、在电路的输入端和输出端添加滤波器,共模滤波器和差模滤波器,可以滤除高频干扰信号,降低电磁辐射。

4、对电路中的关键元件进行屏蔽处理,使用屏蔽罩或屏蔽层,可以阻挡电磁波的辐射和传播。

5、在PCB设计中,应尽量避免高频信号线与低频信号线、电源线与地线之间的交叉和干扰。同时,应尽量缩短地线长度,加宽电源线和地线宽度,以降低地线压降和公共阻抗干扰。

6、降低电流变化率降低开关电流变化率(即降低 di/dt 的值),首先在使用条件不变的情况下,电流的变化量基本不会变化,只好通过延 长电流的变化时间来降低 di/dt 的值。可以通过使用开关速度稍慢的二极管来降低     D1 回路电流变化率,但是使用开关速度 稍慢的超快恢复二极管,会导致二极管的损耗增大,不仅会影响效率,还会导致二极管温度过高,反向漏电流增大,影响系 统稳定性。

7、抑制高频噪声,肖特基本身具有寄生电容,回路上存在寄生电感;开关电流会流过肖特基 D1,寄生的电感、电容会产 生振铃,若振荡频率超过 30MHz,进入辐射测试频率段,则会被测试仪器捕捉到。

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可以通过在肖特基处串联磁珠来滤 除高频信号,降低高频信号对外电磁辐射能量。但是肖特基上串联磁珠,会产生较大负向尖峰电压,需要控制输入电压与尖 峰电压绝对值之和小于芯片的耐压,确保系统稳定性。

常用的贴片式磁珠材料主要是有磁粉、镍、银浆三大部分组成,其在高频条件下具有相当大的阻抗,可以吸 收高频信号(通常 30MHz 以上为高频)。


8、添加 RC 吸收电路

在无法进一步降低系统自生的干扰时,可以通过外加对策器件来进一步抑制;

在芯片 SW 与 GND 之间并联 RC 吸收 电路不仅可以吸收寄生参数产生的毛刺电压,也可以改变谐振频率,从而实现抑制电磁辐射。

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9、添加共模电感,辐射测试点频率段为30M到1000M,此频率段对应的波长是0.3米到10米,如果要发射一定波长的电磁波,需要一根 发射天线,成为天线的必要条件是长度至少要大于波长的二十分之一,当天线是电磁波半波长的整数倍时,发射功率最大。通常输出端的电源线均比较长,有可能成为对外发射电磁波的天线,可以通过在系统输出端串联共模电感, 滤除共模信号来抑制辐射超标,但同时共模电感具有体积大、成本高、不易加工等缺点,不适合应用于小体积、低成本方案。

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通过以下简单实用的步骤来帮助设计的开关电源快速通过相关的辐射测试

优化 PCB 走线,输入端电容靠近芯片 VIN 与 GND 引脚,反馈走线远离开关信号节点,使用 GND 走线包围开关信号节 点,同时缩短开关电流回路路径,即将输入端电容正极靠近芯片 VIN 引脚,肖特基阴极靠近芯片 SW 引脚,肖特基阳极靠 近输入电容负极;

在肖特基处串联磁珠和 RC 吸收电路,磁珠通常选用交流阻抗 60-80R,直流阻抗越小损耗越小;RC 吸收电路中的电阻 阻值在 10R 左右,电容容量在 1nF 以内。


总结:

BUCK电路电磁干扰主要来源于功率开关管和续流二极管的快速切换导致的电流不连续,以及高频变压器和寄生参数的电磁振荡。为降低电磁干扰,可采取多种方法,优化电路设计减少寄生电感、引入软开关技术降低电压电流变化率、添加滤波器滤除高频信号、对关键元件进行屏蔽处理、优化PCB布局和布线、降低电流变化率、抑制高频噪声等。缩短开关电流回路、串联磁珠和添加RC吸收电路等策略尤为有效。优化PCB走线,将输入端电容靠近芯片引脚,使用GND走线包围开关信号节点等,也有助于降低电磁辐射。这些措施的实施,可显著提升BUCK电路的电磁兼容性,确保其稳定可靠地工作。同时,设计过程中需权衡效率、成本和体积等因素,以实现最佳的整体性能。


专家
2024-11-29 21:00:57     打赏
2楼

为了处理干扰的问题,PCB是否需要修正几次?有可靠的仿真软件吗?


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