DC/DC開關(guān)電源中的電磁兼容性設(shè)計(jì)策略

DC/DC開關(guān)電源以其高效、體積小等優(yōu)勢在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中占據(jù)重要地位。然而，由于開關(guān)型器件的快速電壓和電流變化，電磁兼容性測試常遇到問題，影響開發(fā)周期和產(chǎn)品上市時(shí)間，特別是在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中。

一、噪聲源的分析與處理

DC/DC開關(guān)電源的電磁兼容問題首要在于噪聲源的分析。開關(guān)電源中，開關(guān)頻率及其諧波是主要干擾源。此外，30 MHz至400 MHz的寬帶干擾頻譜常見于暗室測量，這是由于MOSFET輸出電容CDS、結(jié)電容和肖特基二極管的寄生電容及導(dǎo)體走線的寄生電感共同引起的高頻LC振蕩電路。

不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC/DC開關(guān)電源，其關(guān)注點(diǎn)也有所不同。例如，BUCK電路由于輸入端電流的不連續(xù)性，含有更多高頻成分，因而輸入端的環(huán)路控制及濾波器至關(guān)重要。而BOOST電路的重點(diǎn)則在于輸出環(huán)路的設(shè)計(jì)。

二、輸入濾波器的設(shè)計(jì)

DC/DC開關(guān)電源的開關(guān)頻率一般在250 kHz到4 MHz之間。LC濾波器適合于控制基波及其高次諧波，理論上每十倍頻可實(shí)現(xiàn)最高40 dB的抑制。在實(shí)際應(yīng)用中，通常將濾波器的截止頻率設(shè)置為開關(guān)頻率的十分之一，以增強(qiáng)抑制效果。

在濾波器設(shè)計(jì)中，輸入端可能會(huì)因負(fù)輸入阻抗和LC濾波器電路引發(fā)振蕩。解決方法是加入RC串聯(lián)電路以降低諧振電路因子Q值，從而減少振蕩。高頻濾波效果的增強(qiáng)可通過加入磁珠實(shí)現(xiàn)，但需注意電流對(duì)磁珠阻抗的影響。

三、輸出濾波器的設(shè)計(jì)

輸出端濾波器設(shè)計(jì)同樣重要，為增強(qiáng)高頻抑制特性，輸出端可加入包含磁珠的濾波器。但應(yīng)考慮直流電阻RDC對(duì)輸出電流的影響，并將濾波器置于反饋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以消除直流壓降的影響。然而，濾波器件可能會(huì)帶來相移，影響開關(guān)電源的環(huán)路穩(wěn)定性，降低增益裕量和相位裕量。

環(huán)路補(bǔ)償是處理環(huán)路穩(wěn)定性問題的主要方法，需掌握自動(dòng)控制理論知識(shí)，并結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。BOOST電路在環(huán)路補(bǔ)償時(shí)還需考慮右半平面零點(diǎn)RHPZ的問題。

四、器件選型

電感是DC/DC開關(guān)電源中的關(guān)鍵器件，選擇合適的電感對(duì)開關(guān)電源的效率及成本有重要影響。利用REDEXPERT在線平臺(tái)，可以快速、精確地選擇合適的電感，并根據(jù)不同器件的損耗、溫升及規(guī)格參數(shù)進(jìn)行比較。陶瓷電容MLCC因體積小、寄生參數(shù)ESL及ESR小而受青睞，但在使用時(shí)需考慮電壓偏置及溫度影響。

五、器件布局布線

為降低DC/DC開關(guān)電源的傳導(dǎo)發(fā)射及輻射發(fā)射，器件布局布線需減少環(huán)路面積并保證濾波器性能。關(guān)鍵措施包括：將關(guān)鍵環(huán)路器件盡量集中放置，使用短而粗的走線減少寄生感抗，通過單點(diǎn)連接信號(hào)地和功率地以減少干擾等。此外，濾波器電路需避免與電路主要部分的容性和感性耦合。

通過以上設(shè)計(jì)策略，工程師們可以有效解決DC/DC開關(guān)電源中的電磁兼容問題，從而縮短開發(fā)周期，提升產(chǎn)品性能。