DC/DC开关电源中的电磁兼容性设计策略
DC/DC开关电源以其高效、体积小等优势在现代电子产品中占据重要地位。然而,由于开关型器件的快速电压和电流变化,电磁兼容性测试常遇到问题,影响开发周期和产品上市时间,特别是在复杂的工业环境中。
一、噪声源的分析与处理
DC/DC开关电源的电磁兼容问题首要在于噪声源的分析。开关电源中,开关频率及其谐波是主要干扰源。此外,30 MHz至400 MHz的宽带干扰频谱常见于暗室测量,这是由于MOSFET输出电容CDS、结电容和肖特基二极管的寄生电容及导体走线的寄生电感共同引起的高频LC振荡电路。
不同拓扑结构的DC/DC开关电源,其关注点也有所不同。例如,BUCK电路由于输入端电流的不连续性,含有更多高频成分,因而输入端的环路控制及滤波器至关重要。而BOOST电路的重点则在于输出环路的设计。
二、输入滤波器的设计
DC/DC开关电源的开关频率一般在250 kHz到4 MHz之间。LC滤波器适合于控制基波及其高次谐波,理论上每十倍频可实现最高40 dB的抑制。在实际应用中,通常将滤波器的截止频率设置为开关频率的十分之一,以增强抑制效果。
在滤波器设计中,输入端可能会因负输入阻抗和LC滤波器电路引发振荡。解决方法是加入RC串联电路以降低谐振电路因子Q值,从而减少振荡。高频滤波效果的增强可通过加入磁珠实现,但需注意电流对磁珠阻抗的影响。
三、输出滤波器的设计
输出端滤波器设计同样重要,为增强高频抑制特性,输出端可加入包含磁珠的滤波器。但应考虑直流电阻RDC对输出电流的影响,并将滤波器置于反馈网络内以消除直流压降的影响。然而,滤波器件可能会带来相移,影响开关电源的环路稳定性,降低增益裕量和相位裕量。
环路补偿是处理环路稳定性问题的主要方法,需掌握自动控制理论知识,并结合实际操作经验。BOOST电路在环路补偿时还需考虑右半平面零点RHPZ的问题。
四、器件选型
电感是DC/DC开关电源中的关键器件,选择合适的电感对开关电源的效率及成本有重要影响。利用REDEXPERT在线平台,可以快速、精确地选择合适的电感,并根据不同器件的损耗、温升及规格参数进行比较。陶瓷电容MLCC因体积小、寄生参数ESL及ESR小而受青睐,但在使用时需考虑电压偏置及温度影响。
五、器件布局布线
为降低DC/DC开关电源的传导发射及辐射发射,器件布局布线需减少环路面积并保证滤波器性能。关键措施包括:将关键环路器件尽量集中放置,使用短而粗的走线减少寄生感抗,通过单点连接信号地和功率地以减少干扰等。此外,滤波器电路需避免与电路主要部分的容性和感性耦合。
通过以上设计策略,工程师们可以有效解决DC/DC开关电源中的电磁兼容问题,从而缩短开发周期,提升产品性能。
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