消除Buck轉換器中的EMI問題(系列之一)開關模式電源轉換器中的EMI問題概述

關鍵字 :BUCKEMI
要想消除開關模式電源轉換器中的EMI問題會是一個很大的挑戰,因為其中含有很多高頻成分。電子元件中的寄生成分常常扮演很重要的角色,所以其表現常常與預期的大相徑庭。本系列針對低壓Buck轉換器工作中的EMI問題進行很基礎的分析,然後為這些問題的解決提供很實用的解決方案,非常具有參考價值。
在設計開關模式轉換器的時候,電磁相容問題通常總是要在設計完成以後的測試階段才會遇到。假如沒有在設計的第一階段就考慮到電磁相容性問題,要在最後的環節再來降低其影響就會很困難,花費也會很高。所以,為了確保產品設計過程順暢無阻,能夠得到最優化的設計,最好的做法是在設計一開始的時候就開始考慮這個問題。在所有要考慮的因素中,元件選擇和PCB佈局設計是獲得最佳EMI性能的關鍵。

造成EMI問題的輻射源有兩類:交變電場(高阻),交變磁場(低阻)。非隔離的DC/DC轉換器具有阻抗很低的節點和環路(遠低於自由空間的阻抗377Ω,此值為真空磁導率µ0和真空中的光速C0的乘積,也被稱為自由空間的本質阻抗——譯注),因而Buck架構DC/DC轉換器中主要的輻射源通常是磁場。磁場輻射是由小型電流環中的高頻電流形成的。電流環所生成的高頻磁場會在離開環路大約0.16λ以後逐漸轉換為電磁場,由此形成的場強大約為 :


其中,f是信號的頻率,單位為Hz;A是電流環路的面積,單位為m2;I是電流環中的電流幅值,單位為A;R是測量點距離環路的距離,單位為m。舉例而言,一個1cm2的電流環,其中的電流為1mA,電流變化頻率為100MHz,則距離此電流環3m處的場強為4.4µV/m,或說是12.9dBµV。下圖1顯示了一個流過1mA電流的1cm2電流環所形成的輻射強度與電流變化頻率之間的關係,圖中綠線是標準容許的3m距離上的輻射強度閾值。

圖1

由圖可見,由1mA電流在1cm2環路中所形成的輻射並不容易超出規格的限制。現實中造成輻射超標的原因常常是應該極小化的環路變成了大的環路,或者是附加線上路上的導線形成了多餘的輻射。這些大回路或導線所形成的天線效應將在總的輻射中發揮主要的作用。

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