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DC-DC電源EMC問(wèn)題分析與調(diào)試技巧

發(fā)布時(shí)間:2024-08-05 16:49

1.1 DC-DC拓?fù)?/span>

工作原理:開關(guān)式DCDC,利用電容/電感儲(chǔ)能的特性,通過(guò)開關(guān)管(BJT,MOSFET)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作,將電能儲(chǔ)存在電容/電感里,當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí),電能釋放給負(fù)載。

1.2 DC-DC分類

①激勵(lì)方式:自激式和它激勵(lì)式

②調(diào)制方式:脈寬調(diào)試和頻率調(diào)制

③隔離方式:隔離式與非隔離式

④承受電硬力:硬開關(guān)和軟開關(guān)

⑤開關(guān)同步方式:同步開關(guān)與異步開關(guān)

⑥儲(chǔ)能電感連接:串聯(lián)型與并聯(lián)型

1.3 Buck DC-DC工作原理

MOS管導(dǎo)通時(shí),輸入源電流流經(jīng)MOS管對(duì)電感進(jìn)行儲(chǔ)能,流經(jīng)電感電流開始上升,同時(shí)有一部分能量傳遞到輸出端,此時(shí)二極管承受反向電壓而不導(dǎo)通。

MOS管關(guān)斷時(shí),輸入源不再提供能量,電感產(chǎn)生反向感應(yīng)電壓,使得二極管導(dǎo)通,電感儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管形成的續(xù)流回路傳遞到輸出端,流經(jīng)電感電流開始下降。

1.4 Buck DC-DC電流分析

▲ 輸入電流不連續(xù),輸出電流連續(xù)


1.5 Boost DC-DC工作原理

MOS管導(dǎo)通時(shí),電流流經(jīng)MOS管對(duì)電感進(jìn)行儲(chǔ)能,流經(jīng)電感電流開始上升,此時(shí)SW節(jié)點(diǎn)電壓為MOS管壓降,二極管承受反向電壓而不導(dǎo)通,能量不傳遞到輸出端,輸出端能量由電容提供。

MOS管關(guān)斷時(shí),電感儲(chǔ)存的能量通過(guò)二極管傳遞到輸出端,同時(shí)直流輸入源也對(duì)負(fù)載提供能量,流經(jīng)電感電流開始下降。

1.6 Boost DC-DC電流分析

▲ 輸入電流連續(xù),輸出電流不連續(xù)

1.7 Buck/Boost DC-DC電流分析

降壓Buck功能實(shí)現(xiàn):Q1、Q3管導(dǎo)通,Q2、Q4管關(guān)斷,完成Buck電路開通環(huán)路;Q2、Q3管 導(dǎo)通,Q1、Q4管關(guān)斷完成Buck電路續(xù)流環(huán)路。

升壓Boost功能實(shí)現(xiàn):Q1、Q4管導(dǎo)通,Q2、Q3管關(guān)斷,完成Boost電路開通環(huán)路;Q1、Q3管導(dǎo)通,Q2、Q4管關(guān)斷完成Boost電路續(xù)流環(huán)路。

二、EMC問(wèn)題產(chǎn)生原因分析

2.1 EMC問(wèn)題產(chǎn)生原因

①電感磁場(chǎng):電感磁場(chǎng)空間輻射耦合、電感磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流效應(yīng);

②開關(guān)噪聲:MOS管開關(guān)噪聲、二極管續(xù)流開關(guān)噪聲;

③電流環(huán)路設(shè)計(jì):電感磁場(chǎng)空間輻射耦合;電感磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流效應(yīng);

④反饋信號(hào)設(shè)計(jì):反饋電路設(shè)計(jì)、反饋環(huán)路;

⑤開啟控制信號(hào)設(shè)計(jì):EN腳開啟電壓設(shè)置、EN腳控制信號(hào)布線;

⑥寄生參數(shù)影響:功率器件寄生參數(shù)、PCB寄生參數(shù)、器件+PCB寄生參數(shù)、結(jié)構(gòu)裝配寄生參數(shù);

2.2 開啟控制信號(hào)(EN腳)

EN腳是控制DC-DC芯片開關(guān)控制引腳,其控制電平的穩(wěn)定行是DC-DC芯片可靠工作的重要條件;當(dāng)控制電平設(shè)置在芯片開啟電壓的邊界值,抗擾度測(cè)試開啟電平波動(dòng)偏離芯片門限電壓,則會(huì)出現(xiàn)DC-DC芯片誤關(guān)閉的情況,引起輸出電壓跌落,導(dǎo)致后端用電設(shè)備工作異常。

2.3 開啟控制信號(hào)(EN腳)設(shè)計(jì)案例

▲ EN腳驅(qū)動(dòng)電壓偏低,雷擊浪涌測(cè)試后端芯片工作異常

▲ EN腳偏置電壓設(shè)置偏低,靜電放電測(cè)試后端電路工作異常

2.4 反饋信號(hào)設(shè)計(jì)

反饋信號(hào)是根據(jù)負(fù)載輕重反饋給芯片內(nèi)部運(yùn)放,調(diào)節(jié)開關(guān)控制的信息窗口;反饋信號(hào)本身工作不穩(wěn)定,反饋給芯片的信息就是錯(cuò)誤的,會(huì)導(dǎo)致芯片誤調(diào)整,引起輸出電壓的跌落或者升高,后端用電設(shè)備會(huì)因電壓波動(dòng)出現(xiàn)工作狀態(tài)異常,甚至損壞。

2.5 反饋信號(hào)穩(wěn)定性影響因素

①反饋信號(hào)電路設(shè)計(jì):分壓電阻參數(shù)設(shè)計(jì)、前饋電容補(bǔ)償、FB引腳增加電容濾波;

②反饋信號(hào)PCB設(shè)計(jì):反饋信號(hào)取電位置、反饋信號(hào)兩側(cè)增加地線屏蔽、反饋信號(hào)采用差分布線、反饋信號(hào)環(huán)路面積最小化、反饋信號(hào)遠(yuǎn)離強(qiáng)干擾源;

反饋信號(hào)穩(wěn)則輸出電壓穩(wěn),輸出電壓穩(wěn)后面設(shè)備工作安全

2.6 電感磁場(chǎng)輻射

“工”字型非磁屏蔽電感,當(dāng)脈動(dòng)電流流過(guò)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)輻射,低頻磁場(chǎng)在附近的信號(hào)回路、磁性元件(共模電感、差模電感)產(chǎn)生感應(yīng)電壓與感應(yīng)電流,造成信號(hào)干擾、或者引發(fā)其他問(wèn)題;低頻磁場(chǎng)穿過(guò)附近金屬平面時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦流效應(yīng),渦流噪聲不能有效消除,則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的輻射問(wèn)題。

2.7 電感磁場(chǎng)耦合案例

▲ 右圖 共模電感繞線末端分繞時(shí)電源端傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)

▲ Buck電感與共模電感互感引起電源端傳導(dǎo)問(wèn)題

▲ 共模電感繞線末端雙線并繞時(shí)電源端傳導(dǎo)測(cè)試數(shù)據(jù)


2.8 電感磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流效應(yīng)案例

▲ Boost電感靠近金屬擋板

▲ Boost電感用鋁箔屏蔽接地

▲ 電感磁場(chǎng)產(chǎn)生渦流效應(yīng)案例

2.9 電流環(huán)路

高頻電流環(huán)路的近場(chǎng)磁場(chǎng)強(qiáng)度要高于電感附近的動(dòng)態(tài)信號(hào)SW;高頻電路環(huán)路形成的磁場(chǎng)大小取決于環(huán)路面積和電流大小 。

高頻電流環(huán)路面積越小,磁場(chǎng)對(duì)消效果就越好;反之,高頻電流環(huán)路面積越大,磁場(chǎng)對(duì)消效果就越差,空間輻射就越強(qiáng)。

電流環(huán)路案例

▲ 電流環(huán)路案例(一)

▲ 電流環(huán)路案例(二)


2.10 開關(guān)噪聲

工作原理:功率器件工作于開關(guān)狀態(tài)時(shí),di/dt環(huán)路會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),dv/dt節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng);高頻電流環(huán)路(high Fre loop)和高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW Note)分別產(chǎn)生交變磁場(chǎng)與交變電場(chǎng),從而引發(fā)嚴(yán)重的空間輻射問(wèn)題。

2.11 開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴產(chǎn)生原因分析

①開關(guān)節(jié)點(diǎn)上沖振鈴產(chǎn)生原因分析:MOS管開通時(shí),續(xù)流二極管寄生電容CB3被充電,寄生電感LB3、LB4積蓄能量,當(dāng)SW動(dòng)態(tài)節(jié)點(diǎn)的電壓等于輸入電壓時(shí),積累在LB3、LB4中的能量與CB3電容產(chǎn)生LC串聯(lián)諧振,從而產(chǎn)生上沖振鈴干擾。

②開關(guān)節(jié)點(diǎn)下沖振鈴產(chǎn)生原因分析:MOS管關(guān)斷時(shí),續(xù)流二極管導(dǎo)通,電感中會(huì)有電流持續(xù)流過(guò),開關(guān)MOS管寄生電容CB1被充電,續(xù)流二極管寄生電容CB3放電,當(dāng)輸出電壓≦SW動(dòng)點(diǎn)電壓時(shí),開關(guān)MOS管的寄生電容CB1停止充電,儲(chǔ)存在寄生電感LB3、LB4的能量與CB1組成LC串聯(lián)諧振,產(chǎn)生下沖振鈴噪聲干擾。

2.12 寄生參數(shù)與寄生振蕩

▲ Buck DC-DC寄生參數(shù)圖示

▲ Boost DC-DC寄生參數(shù)圖示

①PCB寄生電感降低高頻旁路效果,也是寄生振蕩產(chǎn)生的重要原因之一;②功率器件寄生電容提供高頻電流耦合路徑,寄生電容也是寄生振蕩產(chǎn)生的重要原因之一;③PCB寄生電容引發(fā)近場(chǎng)耦合;④高頻旁路電容與PCB寄生電感引發(fā)的寄生振蕩;

2.13 寄生參數(shù)影響

▲ 寄生參數(shù)影響(一)

▲ 寄生參數(shù)影響(二)

三、EMC問(wèn)題調(diào)試技巧

3.1 EMC問(wèn)題調(diào)試技巧

A:輸出電壓?jiǎn)栴} 調(diào)試技巧;

B:環(huán)路面積問(wèn)題 調(diào)試技巧;

C:電感磁場(chǎng)問(wèn)題;

D:開關(guān)噪聲;

E:寄生參數(shù)、寄生振蕩;

3.2

輸出電壓跌落調(diào)試技巧

DC-DC輸出電壓跌落:①EN腳對(duì)策:EN腳增加高頻濾波電容、上拉電源調(diào)整、EN腳控制信號(hào)防護(hù)設(shè)計(jì)、分壓電阻參數(shù)調(diào)整;

②反饋電路對(duì)策:反饋引腳增加對(duì)地高頻電容、反饋信號(hào)增加前饋電容、反饋分壓電阻比例調(diào)整;

③輸出電壓穩(wěn)定對(duì)策:增加電解電容補(bǔ)償、增加穩(wěn)壓二極管、增加儲(chǔ)能元件;

3.3 環(huán)路面積調(diào)試技巧

①開通環(huán)路面積調(diào)試:Buck開通環(huán)路調(diào)試、Boost開通環(huán)路調(diào)試、Buck/Boost開通環(huán)路;

②關(guān)斷環(huán)路面積調(diào)試:Buck續(xù)流環(huán)路調(diào)試、Boost關(guān)斷環(huán)路調(diào)試、Buck/Boost關(guān)斷環(huán)路;

③主功率環(huán)路面積調(diào)試:環(huán)路低頻磁場(chǎng)輻射、共環(huán)路耦合;

④功率器件RC吸收環(huán)路:開關(guān)MOS管RC吸收、二極管RC吸收;

⑤高頻環(huán)路調(diào)試:開通高頻環(huán)路、關(guān)斷高頻環(huán)路、環(huán)路中增加磁珠;

⑥寄生環(huán)路調(diào)試:開通環(huán)路寄生環(huán)路、關(guān)斷環(huán)路寄生環(huán)路、SW動(dòng)點(diǎn)寄生環(huán)路、主功率環(huán)路寄生環(huán)路;

3.4 電流環(huán)路調(diào)試技巧

▲ Buck DC-DC電流環(huán)路最優(yōu)設(shè)計(jì)

▲ Boost DC-DC電流環(huán)路最優(yōu)設(shè)計(jì)

電流環(huán)路最優(yōu)設(shè)計(jì):開通環(huán)路面積、關(guān)斷環(huán)路面積、主功率環(huán)路面積最優(yōu)設(shè)計(jì);高頻環(huán)路面積、SW動(dòng)點(diǎn)面積最優(yōu)設(shè)計(jì)。

3.5 寄生環(huán)路調(diào)試技巧

▲ Buck DC-DC寄生環(huán)路簡(jiǎn)單分析

▲ Boost DC-DC寄生環(huán)路簡(jiǎn)單分析

寄生環(huán)路調(diào)試:寄生環(huán)路主要是SW動(dòng)點(diǎn)對(duì)參考地之間分布電容引起的;寄生參數(shù)諧振后改變?cè)瓉?lái)設(shè)計(jì)的電流環(huán)路,而產(chǎn)生新的電流環(huán)路。

3.6 共電流環(huán)路耦合

▲ 右圖 RJ45 信號(hào)環(huán)路與電源環(huán)路存在共地環(huán)路耦合

①兩個(gè)電流環(huán)路擁有共同的路徑,弱信號(hào)被強(qiáng)信號(hào)干擾,干凈信號(hào)被噪聲信號(hào)耦合;②共電流環(huán)路耦合是干擾問(wèn)題產(chǎn)生的主要形式之一,也是傳導(dǎo)測(cè)試超標(biāo)的重要原因之一。

3.7 開關(guān)噪聲調(diào)試技巧

①驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié):開通驅(qū)動(dòng)、關(guān)斷驅(qū)動(dòng)、抖頻功能、驅(qū)動(dòng)頻率;

②功率器件吸收:MOS管RC吸收、二極管RC吸收、尖峰電壓鉗位;

③噪聲耦合控制:SW動(dòng)點(diǎn)噪聲控制、近場(chǎng)耦合控制、濾波器衰減;

④功率器件選型:MOS管選型、二極管選型、封裝選型;

3.8 開關(guān)噪聲鉗位

▲ 開關(guān)噪聲鉗位


3.9 電感磁場(chǎng)問(wèn)題調(diào)試技巧

①更換磁屏蔽電感、②距離控制:③金屬屏蔽

電感磁場(chǎng)問(wèn)題調(diào)試技巧:磁屏蔽電感防止磁場(chǎng)泄露,切斷磁場(chǎng)耦合路徑;距離控制,通過(guò)空間衰減磁場(chǎng)強(qiáng)度;利用磁場(chǎng)穿過(guò)金屬產(chǎn)生渦流效應(yīng),渦流磁場(chǎng)與原來(lái)磁場(chǎng)互相抵消原理。

3.10 寄生參數(shù)與寄生振蕩調(diào)試技巧

寄生參數(shù):器件寄生參數(shù)、PCB寄生參數(shù)、結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)、組合寄生參數(shù);

寄生振蕩:改變器件寄生參數(shù)、改變PCB寄生參數(shù)、改變結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)、增加阻尼;

3.11 傳導(dǎo)問(wèn)題

①電源端傳導(dǎo)問(wèn)題:A電感空間碰場(chǎng)輻射:使用磁粉屏蔽電感、與AC電源輸入端拉開間距;

B輸出電源環(huán)路低頻磁場(chǎng)輻射:與AC電源輸入端拉開間距、袁減環(huán)路中低頻嗓聲電流;

C共電源阻抗耦合:調(diào)整PCB布線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線方式、衰減輸入電源線上的低頻噪聲電流;

②電信端傳導(dǎo)問(wèn)題:A共電源阻抗耦合:調(diào)整PCB布線采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線方式、衰減輸入電源線上的低頻噪聲電流;

B共地環(huán)路耦合:電信信號(hào)環(huán)路與DC-DC輸入噪聲分開、袁減輸入電源線上的低頻噪聲電流、DC-DC電路遠(yuǎn)離外部端子放置;

C電信端電路參數(shù)調(diào)整:Bob Smith電路參數(shù)調(diào)整、Bob Smith電路電容接地點(diǎn)選擇、電信差分信號(hào)與Buck 電感距離控制、Buck電感使用屏蔽電感;

3.12 輻射問(wèn)題

①環(huán)路面積問(wèn)題:開通環(huán)路面積控制、續(xù)流環(huán)路面積控制、開通高頻旁路環(huán)路面積、續(xù)流高頻旁路面積;

②寄生參數(shù)影響:開關(guān)MOS管寄生電容、PCB布線寄生電感、同步MOS管寄生電容、動(dòng)態(tài)線分布電容、續(xù)流二極管寄生電容;

③濾波設(shè)計(jì):開關(guān)環(huán)路或者縷流環(huán)路增加高頻磁珠、同步開關(guān)MOS管RC吸收、開關(guān)MOS管RC吸收、輸入供電電源濾波設(shè)計(jì)、續(xù)流二極管RC吸收;

④寄生振蕩:開關(guān)MOS寄生電容與PCB布線寄生電感振蕩、續(xù)流二極管寄生電容與PCB布線寄生電感振蕩、同步開關(guān)MOS管寄生電容與PCB布線寄生電感、PCB布線寄生電感與高頻旁路寄生振蕩;

四、EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

4.1 EMC設(shè)計(jì)

①原理圖設(shè)計(jì):RC吸收設(shè)計(jì)、高頻旁路設(shè)計(jì)、磁珠正確應(yīng)用、濾波與防護(hù)設(shè)計(jì);

②PCB設(shè)計(jì):PCB布局設(shè)計(jì)、PCB疊層設(shè)計(jì)、PCB布線設(shè)計(jì);

4.2 Buck DC-DC電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)說(shuō)明

▲ 功率器件吸收電路

▲ 磁珠正確使用

Buck DC-DC電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)說(shuō)明:功率器件RC吸收電路、正確的使用磁珠、高頻旁路電容的使用

4.3 Boost DC-DC電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)說(shuō)明

▲ 功率器件吸收電路

▲ 磁珠正確使用

Boost DC-DC電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)說(shuō)明:功率器件RC吸收電路、正確的使用磁珠、高頻旁路電容的使用;

4.4 DC-DC電路外部連接濾波與防護(hù)設(shè)計(jì)

DC-DC電路外部連接濾波與防護(hù)設(shè)計(jì):靜電放電防護(hù)與雷擊浪涌防護(hù)、差模雷擊防護(hù)與共模雷擊浪涌防護(hù)、差模濾波與共模濾波,高頻濾波與低頻濾波設(shè)計(jì);

4.5 DC-DC電路原理圖設(shè)計(jì)與PCB設(shè)計(jì)檢查表

▲ DC-DC電路原理圖設(shè)計(jì)與PCB設(shè)計(jì)檢查表

4.6 PCB最優(yōu)設(shè)計(jì)展示

▲ Buck DC-DC最優(yōu)PCB設(shè)計(jì)展示

▲ Buck/Boost DC-DC最優(yōu)PCB設(shè)計(jì)展示

最優(yōu)PCB設(shè)計(jì)要求:環(huán)路面積設(shè)計(jì)最小化、PCB寄生電感最小化、SW動(dòng)點(diǎn)信號(hào)面積最小化;

五、內(nèi)容總結(jié)

①DC-DC工作原理及電流環(huán)路分析:DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、DC-DC分類、工作原理 、DC-DC電流環(huán)路分析;

②DC-DC EMC問(wèn)題產(chǎn)生原因分析:反饋信號(hào)、開啟控制信號(hào)、電感磁場(chǎng)輻射、環(huán)路設(shè)計(jì)、開關(guān)噪聲、寄生參數(shù)與寄生振蕩;

③DC-DC EMC問(wèn)題調(diào)試技巧:輸出電壓?jiǎn)栴}、電感磁場(chǎng)、開關(guān)噪聲、寄生參數(shù)與寄生振蕩、環(huán)路問(wèn)題;

④DC-DC EMC設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析:原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì);

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民用領(lǐng)域:靜電放電發(fā)生器、脈沖群發(fā)生器、雷擊浪涌發(fā)生器、射頻傳導(dǎo)抗干擾測(cè)試系統(tǒng)工頻磁場(chǎng)發(fā)生器、脈沖磁場(chǎng)發(fā)生器、阻尼振蕩磁場(chǎng)發(fā)生器、交流電壓跌落發(fā)生器、振鈴波發(fā)生器、共模傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試系統(tǒng)、阻尼振蕩波發(fā)生器、直流電壓跌落發(fā)生器等
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