Boost型DC-DC辐射EMI分析

引言：本节开始从一些实例出发，理论结合实际来进一步探讨电源噪声处理的方式选择和效果评估。

1.Boost型DC-DC辐射EMI分析

图10-1是典型的同步Boost电路，由输入电容Cin，电感L，开关器件Q1、Q2以及输出电容Cout组成，同时形成4个回路。

Loop2和Loop3为开关电流断续回路，具有高di/dt和dv/dt，因此SW节点振铃明显。Loop1和Loop4虽然是存在反复充电放电，但却是电流连续回路，电感电流连续，高频噪声主要来源于SW节点开关高频噪声的传导，由于Q2电流断续(Boost的特征)，Cout的容值大小以及位置决定了Loop4中Vout节点高频噪声幅值。(传送门：DC-DC-3：升压型的工作原理)

图10-1：BOOST开关回路分析

图10-2为SW节点典型的开关波形(输出仅放置Bulk电容)，SW开关节点振铃幅值高达10V，震荡频率为200MHz左右。

图10-2：SW开关节点波形

图10-3是对应于图10-2的实际辐射EMI测试结果，采用3m方法，蓝色为垂直方向，红色为水平方向。测试结果显示噪声在频域上的峰值在200MHz附近，与时域测试结果图10-2吻合，因此抑制辐射EMI峰值意味着需要大幅度降低SW节点的振铃幅值，以及振铃周期数。

图10-3：辐射EMI测量幅值(CE测试标准)

2.BOOST输出电容选择

如图10-1所示，Boost的Cout选择有几个关键考虑点：

1：输出纹波幅值

2：系统稳定性需求

3：SW节点的振铃幅值

4：输出电容耐压等级(陶瓷电容容值随耐压增加而衰减)。其中1、2、3、4与SW节点振铃幅值，辐射EMI息息相关。

图10-1中输出回路3(包含Q2、Cout)是断续回路，必须连接一个100nF-1uF去耦电容，该去耦电容对于降低SW振铃幅值有着关键作用。(传送门：EMC-7：如何使用电容从后级应对开关电源噪声)

为了获得低的输出纹波，建议选择低ESR陶瓷电容，通常3~4颗22uF的X5R电容可以满足大多数应用，更大的容值有利于输出电压动态响应。鉴于陶瓷电容随着电压增加，容值减小的特性，建议选择电容耐压时考虑留有足够的裕量。例如输出电压12V，建议至少选择20V或者25V耐压电容以维持足够有效的电容值。(传送门：DC-DC-16：一文教你如何计算DC-DC的输入电容Cin与输出电容Cout)

根据输出纹波幅值要求，可以利用如下公式计算最小需求电容值Cout。

其中Vripple_C是输出纹波幅值，Vripple_ESR是输出电容ESR导致的纹波，I_Lpeak是电感电流峰值，ESR是输出电容的ESR。

3.Layout注意点

1：由于输出回路是开关回路，高di/dt和dv/dt，减小回路面积至关重要，输出回路去耦电容必须放置在离Vout、GND管脚最近的位置，从而降低SW振铃幅值，如图10-4红色箭头所示，利用NC管脚作为输出功率地，从而更近一步降低输出回路面积，Vout、NC管脚铺铜尽量宽。

图10-4：推荐Layout

2：由于SW的高频振铃同样会耦合至输入端，输入Bulk电容需要尽量放置离电感、GND近的位置以减小输入回路面积，输入端去耦电容同样需要离Vin端越近越好。

3：下层大面积铺地，降低地回路阻抗，采用8mil的过孔连接上下大地，降低热阻。

4：从系统稳定性考虑，
AGND与PGND单端相连，通过散热焊盘底部相连，(散热焊盘同时也是功率地)。当Vout添加上去耦电容，并严格按照版图注意事项布板，测试波形如下图10-5所示，SW振铃幅值降低到6V，同时震荡明显周期变少。

图10-5：添加去耦电容和推荐Layout

4.SW开关节点噪声吸收电路选择

在SW开关节点添加对地的RC高频噪声吸收电路如图10-6所示，可以直接降低SW节点振铃幅值，该吸收电路通过降低dv/dt来降低SW节点振铃幅值，因此该电路会牺牲小于1%的Boost效率。(传送门：EMC-5：DC-DC的开关节点振铃控制)

图10-6：采用SW节点振铃吸收电路

SW高频噪声在200MHz附近，因此选择Rs=2Ω，Cs=2nF，图10-6为SW节点加上该吸收电路，测试结果为图10-7所示，相比于图10-2所示，SW幅值大幅降低(蓝色=SW、绿色=Vin
AC)。

图10-7：添加SW振铃吸收电路，测试波形

基于无系统级的EMI滤波器，图10-8为添加SW节点RC吸收电路后辐射EMI测试结果，相较于 图10-3 ，EMI峰值下降了20dB。

图10-8：辐射EMI测试结果(RC缓冲电路)

5.磁珠的选择

在系统级应用中，如果需要进一步降低辐射EMI，贴片式磁珠是最简单的选择。关于磁珠的选择，有下列几个注意事项：

1：磁珠的频率需要覆盖高频噪声频段，根据 图10-3 ，该磁珠需要在100MHz~300MHz频段表现为高阻抗值。

2：磁珠的饱和电流需要30%高于实际工作的峰值电流。

3：磁珠的等效阻抗越低越好，有利于减少磁珠带来的功耗。