Buck电源不同fsw在EMC测试中的表现

其中，第1篇阐述了为什么fsw会有400kHz和2.2MHz的情况；第2篇重点着重讨论了不同fsw，在电气性能上带来的影响。感兴趣的同学，自己去翻阅。今天，我想从EMC性能角度，来讨论下不同fsw的区别。

 

揭晓上期文章答案

在开始今天的讨论之前，先揭晓上期文章《看图识物，你能猜出来此为何物么？》的答案。

 

有些同学已经猜出来了，就是摄像头的镜头。这是镜头在光源下效果，非常像人的眼睛，真的很神奇！

一道问题

言归正传，照例，先抛出来一道问题：不同的开关频率fsw，在EMC的RE辐射测试中会有怎样的区别表现呢？

这么问，可能显得太大，不够具体。那么我们把这个问题，再具体些：在前文中提到Buck电源芯片的开关频率经常会设置为400kHz或2.2MHz。那么，这两种fsw在RE测试中会有怎样的不同表现呢？

fsw和Tr与频谱衰减的关系

在分析Buck电源不同fsw在EMC测试中的表现之前，有必要弄清楚不同fsw的方波，其频谱有怎样的不同。

（图片来自郑军奇书籍《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》）

上面这个方波和频率衰减曲线，我相信很多同学都见过，不陌生。反正我是在很多地方都见过，就索性直接从书拍图了。这里面有2点需要重点关注：

①区域b，频谱以-20dB/dec斜率衰减，是从f1=1/πxtw开始，tw为方波的脉冲宽度。

i. 如果方波的占空比为50%，那么tw=T/2=1/2fsw；即切换的频点f1=2fsw/π；

ii. 如果方波的占空比为D，那么tw=DxT=D/fsw。则有：f1=fsw/πxD。

②区域c，频谱以-40dB/dec斜率衰减，是从f2=1/πxtr开始，tr为方波脉冲边沿的上升时间。在该区域内，高频分量的能量急剧下降。

 

增加fsw，在频域内会有什么变化？

只是看上面的图片，还不太直观。如果我们把fsw从400kHz提升到2.2MHz，除了在《Buck电源芯片不同开关频率会给电路带来哪些影响？》提到的变化，在频域内会有什么变化呢？

如上右图所示，上升沿tr不变，仅仅是周期减小，fsw增大，在频域内的变化如左图所示。-20dB/dec的切换频点f1会右移，这样会使得fsw的倍频衰减时间延迟，这里是不利于EMI优化设计的。

注意：这里tr不变，f2频点的位置没有后移。

 

增加tr，在频域内会有什么变化？

如上图右图所示，在fsw频率不变的情况下，让脉冲波形上升沿变化，tr增加。在频域内，如左图所示，频点f2变小，-40dB/dec切换节点左移，高频分量衰减的更快。

注意：这里fsw不变，f1频点的位置没有前移。

可以肯定的是，通过增大tr让高频噪声快速衰减以优化EMI，这是一个不错的想法。但在实际应用中，缓慢的边沿跳变意味着开关管在导通和关断状态切换时需要花费更长的时间，相应开关损耗会增加，电源效率会降低。这里在项目开发中，需要做综合评估。

 

fsw调高，EMI越容易过？

既然前面说了，增大fsw，-20dB/dec的切换频点f1会右移，不利于优化EMI优化。那为什么实际应用中，还会存在2.2MHz这样的高开关频率呢？

难道仅仅是为了减小电感感值和体积，减少输出电容的容值，减少PCB布板面积等等么？当然不是。

以CISPR 25（对应GB/T 18655）的RE测试限值为例，在150kHz~30MHz频段内只有150kHz~300kHz、530kHz~1.8MHz、5.9MHz~6.2MHz 三段有限值要求（上图中的3段红色实线），其他无限值要求。

如将Buck电源芯片的开关频率fsw设置为400kHz附近，那么fsw的2倍频，3倍频、4倍频都在530kHz~1.8MHz范围内，那么RE测试比较容易出问题。

如将fsw设置为2.2MHz附近，那么fsw的2倍频，3倍频、4倍频都取值在无限值要求的频段，这样RE测试就比较容易通过。

但是这里也要说明，RE测试的频段很宽，fsw选择2.2MHz，虽然在150kHz~30MHz比较容易通过，但会把压力传递给30MHz~200MHz频段。因为在30MHz~200MHz 频段，大部分都有限制要求。如果没有处理好，有可能会fail。但此时已经是高次倍频分量，相比2倍频、3倍频、4倍频，能量已衰减很多。其整改压力相较于400kHz倍频在150kHz~30MHz的情况已经小了许多。

这里只是说了RE测试，对CE测试有什么影响呢？这个问题，留给同学们思考。

 

总  结

今天先聊到这里，讨论的内容比较基础，但是很有启发性。梳理下今天讨论的内容：

① 详细阐述了fsw和Tr与频谱衰减的关系图；

② 增加fsw，-20dB/dec的切换频点右移，fsw倍频衰减延迟；

③ 增加tr，-40dB/dec切换节点左移，高频分量衰减加快；

④ fsw在400kHz附近，在RE的150kHz~30MHz频段容易出问题，如调整至2.2MHz附近，150kHz~30MHz频段容易通过，但压力会传递30MHz~200MHz频段。

怎么样？一个简短的问题，给出的回答可浅可深。我的助攻只能到这里，能否晋升到陆地神仙境，一剑开天门，就看你的造化了！

　　审核编辑：汤梓红