如何设计出符合电磁兼容性的DC/DC开关电源

DC/DC开关电源由于其效率高、体积小等优点是现代电子产品设计中不可或缺的一环，其重要性不言而喻。由于设计上采用的开关型器件会导致出现快速的电压变化率和电流变化率，产品在电磁兼容性的测试上容易出现问题并使得开发周期变长，影响产品上市时间，对于应用环境比较复杂的工业类产品此问题显得尤为突出。

本文将从干扰源、元器件、滤波器以及布局等几个方面对DC/DC开关电源设计提出相关的注意事项，帮助工程师们了解如何设计出符合电磁兼容性的DC/DC开关电源。一、 了解DC/DC开关电源中噪声源要处理DC/DC开关电源产生的电磁兼容问题，首先需要对电源产生的噪声源进行分析，找到造成辐射发射和传导发射超标的源头。在使用开关电源的情况下，除去开关频率及其谐波造成的干扰外，暗室测量中还会显示30 MHz至400 MHz的宽带干扰频谱，原因之一是开关管陡峭的开关沿，例如MOSFET输出电容CDS、结电容和反向恢复肖特基二极管的寄生电容和导体走线的寄生电感共同导致高频LC振荡电路。下图所示为造成辐射发射和传导发射的噪声源。

  此外，根据DC/DC开关电源不同的拓扑结构，需要关注的着重点会存在一定差异，比如下图所示的BUCK电路由于输入端电流的不连续性，其含有高频成分更多，因此输入端的环路控制及滤波器会更加关键。

  而如下图所示的BOOST电路由于关键环路的不同，其着重点应该放在输出环路上。当然重点关注关键环路并不意味着其他环路部分可以忽略。

 二、 设计DC/DC开关电源中输入滤波器现代DC/DC开关电源中通常具有从250 kHz到4 MHz的开关频率。如下图所示，LC滤波器特别适合于控制基波及其高次谐波，理论上能够实现每十倍频最高40 dB的抑制，并且还可以达到低至kHz范围的截止频率。在实际应用中，合适的经验法则是将滤波器的截止频率设置为开关频率的约十分之一，当然在电磁兼容性测试中如果存在超出限值仍然过高的情况下，还可考虑将截止频率设置得更低，从而增加抑制效果。

  在加入滤波器设计后，实际在某些情况下，DC/DC开关电源的输入端可能会发生振荡。这种振荡是由所谓的负输入阻抗及加入的LC滤波器电路共同引起的，此时滤波器电路的电感和电容作为一个放大谐振峰的谐振电路。当前处理这种不良影响的最佳方法是主动抑制LC滤波器电路，通常会通过如下图所示加入RC串联电路来实现。

  这种方法的目的是使谐振电路因子Q 值降低，从而减小发生谐振时的滤波器阻抗，如下图所示，可以看到加入RC串联电路之后滤波器的阻抗在谐振频点已经下降。

  在许多情况下，也有使用具有较高ESR的电解电容器代替，但需要注意的是，ESR是一个会随频率和温度发生变化的参数。采用伍尔特的REDEXPERT在线平台可以看到频率对于ESR带来的影响，如下图所示，图中是一颗10uF/ 50V的铝电解液电容对应ESR随频率的变化曲线。

  此外，如果要增加滤波器高频处（例如大于10MHz）的滤波效果，可以考虑加入磁珠，下图中通过仿真软件LTspice给出了LC滤波器以及加入磁珠L4之后组成的LCL滤波器在噪声抑制特性上的差异，可以看到增加磁珠之后对于滤波器在高频处噪声抑制效果带来的好处，但在实际应用时需要注意电流对于磁珠阻抗的影响。

 三、 设计DC/DC开关电源中输出滤波器输出端滤波器同样有其需要注意的地方，如下图所示，为了增强高频抑制特性，输出端加入了包含磁珠的滤波器，但考虑在输出电流较大的情况下电感以及磁珠的直流电阻RDC带来的影响，将滤波器放入了DC/DC开关电源的反馈网络之内，从而消除直流压降带来的影响。

  但反馈网络内的滤波器件可能会带来不希望的相移，从而使得开关电源的环路稳定性出现问题，降低环路的增益裕量和相位裕量。在极端情况下，甚至会使得环路不稳定并导致输出电压产生振荡。实际设计中，增益裕量要求大于12dB且相位裕量大于45°的环路能够保证环路的稳定性，从而使得在外界的激励下输出不会产生振荡。下图中是针对一个稳定的BUCK电路进行反馈环路测试之后绘制的伯德图，从中可以看出增益裕量为32dB和相位裕量为56°。

  环路补偿通常可以作为环路稳定性出现问题的主要措施，但需要硬件工程师掌握一定的自动控制理论知识，同时熟悉不同补偿电路的方案以及结合实际操作经验。此外，所有工作在连续模式下的BOOST电路在做环路补偿时还需要考虑到右半平面零点RHPZ的问题，进一步加大了环路补偿的难度。所以，可以尝试将滤波器电路放置在反馈环路网络之外，通过挑选直流电阻RDC更小的磁性器件来减小压降带来的影响。四、DC/DC开关电源中如何器件选型电感作为DC/DC开关电源中的关键器件之一，不仅发挥着储存传递能量、滤波等作用，对于开关电源的效率及成本也有较大的影响，此外电感的发热及损耗问题是工程师们很关注的问题，利用REDEXPERT在线平台，可以快速、轻松、精确地选择合适的电感（功率电感选型请参考文档ANP039），同时还可以根据不同器件复杂的交流和直流损耗、器件产生的温升以及它们的规格参数如尺寸、额定电流等，对它们进行比较。下图中是对电感的在BUCK-BOOST电路中一个应用案例，当输入相应的设计参数，即可方便得到电感的损耗及温升等，由于平台中采用了更符合实际工况的模型以及加入了实测数据，相比传统的公式法其给出的结果会更贴近实际情况，电路详细设计请参考ANP049。

  陶瓷电容MLCC由于体积小，寄生参数ESL及ESR小等优势常常会受到工程师们的青睐，但当使用二类MLCC（如X7R及X5R等）作为滤波器时，需要考虑陶瓷电容实际工作时受到电压偏置及温度等带来的影响。下图中为通过REDEXPERT在线平台看到的一颗10uF/ 50V的X7R电容容值随外部施加电压及温度的变化曲线。

 

  可以看到使用二类陶瓷电容受电压及温度的影响会使得滤波器截止频率将在工作中发生较大程度的偏差，这也是在设计用于DC/DC开关电源的滤波器，当二者容量相当时，还会经常见到使用体积较大的铝电解质电容器的原因。五、 DC/DC开关电源中器件的布局布线为降低DC/DC开关电源造成的传导发射及辐射发射等电磁兼容性问题概率，对于开关电源而言从器件布局布线的角度来减小环路面积以及保证滤波器的性能发挥至关重要。通常这些措施包含但不限于： 1. 将关键环路涉及的器件尽量摆放在一起从而减小环路面积； 2. 针对高频滤波的陶瓷电容尽量放置在开关管或IC等产生快速的电压变化率和电压变化率的地方； 3. 通过短而粗的走线来减小走线寄生感抗，特别是接地线的处理； 4. 通过加入多个过孔来减小其寄生电感； 5. 合理连接信号地和功率地，通过单点连接能够保证信号地尽量少得被功率地干扰； 6. 对于表层大面积覆铜需要合理使用以免形成不必要的天线； 7. 布置输入和输出滤波器电路时，尽可能消除与电路主要部分的容性和感性耦合； 8. 滤波器电路下面没有覆铜，如有中间层也是如此处理，从而避免高频噪声的耦合； 9. 设计LCL的T型滤波器时，尽可能消除三个器件内不必要的容性和感性耦合。
    审核编辑：彭菁