开关电源因具有效率高,输出电压可调范围大、损耗小、体积小、重量轻而得到了广泛的应用。但是在使用过程中,容易带来电磁干扰(EMI)的问题。
电磁干扰分为两种:传导干扰和辐射干扰,传导干扰又分为差模干扰(30MHZ 以内)和共模干扰(30MHZ-100MHZ),主要是电子设备产生的干扰信号通过导线或公共电源线进行传输,从而进行干扰。差模干扰和共模干扰可分别使用 DM 滤波器(π型滤波电路)和 CM 滤波器(共模电感)进行滤除,本文主要介绍对策低频段差模干扰的器件及 PCB 布线过程中需要注意的事项。
1.添加传导对策器件
目前,传导干扰相较于辐射干扰来说,比较容易解决,一般情况下,只需要在输入端添加π型滤波并选择合适的滤波参数就可以通过低频段传导测试。图 1 以 XL4013 为例,红色框线内元器件为π型滤波电路,用来对策传导超标
图 2 和图 3 是使用 XL4013(VIN=24V,输出 12V/2A)在有无π型滤波两种情况下测得的传导数据波形,图 2 所示是未添加π型滤波时的传导测试数据,图 3 是在图 2 的基础上添加π型滤波电路(CF=20uF(陶瓷电容),CD=220uF, LF=47uH,ESRD=0.68Ω,VIN=24V),其余条件均相同的条件下进行传导测试:
从图 2 和图 3 中的对比数据中可以看出,合适的π型滤波电路能够有效抑制低频段的传导干扰。但传导对策器件的选择不能脱离实际应用条件,对 BUCK 电路来说,CIN 为 BUCK 调整器的输入电容容量, CIN 电容越大,EMI 越小,但 CD 电容也会增加。一般情况下,CD 电容容量选择 2~4 倍 CIN 电容容量。
ESRD 为 CD 电容所需要的 ESR 大小,它可根据 LF 与 CIN 之商的均方根来计算,即 ESRD=SQRT(LF/CIN),如果此值较小,只需要选用 ESR 较大的电容即可,如果此值过大,可以通过串联电阻来实现。
LF 为π形滤波器的电感,此电感感量通常为 1~47uH,在保证电流能力且物理尺寸允许条件下,LF 的感量尽量取大。CF 一般选用陶瓷电容(陶瓷电容抑制传导干扰的能力远远大于电解电容),其计算比较复杂,输入电压、输出电流、工作频率、CIN 和 LF 的不同均会影响 CF 的选择,具体值可根据以下公式进行计算:
其中,I、Fs 和 D 分别是 BUCK 调整器的输出电流、开关频率和占空比;|Att|dB 是π型滤波器在开关频率 Fs 下所需的噪声衰减量;CIN 是输入电解电容容量;Vmax 是在 EMI 标准中,开关频率 Fs 下允许的最大噪声值;LF 是π型滤波中电感感量;CF 是π型滤波中陶瓷电容容量,取 Cfa 和 Cfb 中较大值。
2.PCB 走线注意事项
对于开关电源来说,输入端通常采用电解电容与陶瓷电容组合使用(主要是经济实惠),电解电容给芯片提供瞬态电流,陶瓷电容用来滤除输入端高频毛刺电压,给芯片内部逻辑电路提供纯净电源,因此陶瓷电容需要靠近芯片的 VIN 与 GND 引脚,并且避免通过过孔进行连接以达到较好的滤波效果。
2.1 缩短不连续电流回路
对于 BUCK 电路来说,输入端电流为不连续电流,变化的电流会在寄生电感上产生毛刺电压,容易影响系统稳定性,并导致 IC 失效。要降低寄生电感,就要缩短电流回路长度,这就需要将输入端电解电容两端分别靠近芯片的 VIN 和肖特基的阳极,芯片的 SW 引脚靠近肖特基的阴极,如“图 4”所示。这样最大限度的降低其寄生电感,减少毛刺电压,提高系统稳定性,并可以降低辐射 EMI。
2.2 传导对策器件走线注意事项
π型滤波中的 CF 陶瓷电容承担着滤除高频干扰的重任,在进行 PCB 设计时,需要尤其注意输入电源线和地线连接方式,确保电源线和地线中的干扰都能唯一经过 CF 陶瓷电容,除此之外没有其他路径能够流经,以达到抑制传导干扰的最佳效果,如图 5 所示。
为了最大限度的发挥π型滤波的作用,在样板空间足够大的情况下,设计 PCB 时不要大面积铺铜(GND)包围π型滤波器件。因为大面积铺铜(GND)容易与输入电源线之间形成寄生电容,这些寄生电容为高频干扰信号提供了有效的低阻抗路径(如图 6 的 Cx1 和 Cx2),从而影响传导对策器件的滤波效果。