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DCDC傳導(dǎo)EMI測試超標(biāo)？來看實(shí)戰(zhàn)整改案例解析！

已有 193 次閱讀2024-11-4 16:20 |個(gè)人分類:技術(shù)干貨| 大大通, 電源, EMC, DC-DC, 頻率

一. 概述

電子產(chǎn)品工作都離不開電源，電源 DC-DC 模塊應(yīng)用也越發(fā)廣泛，但在產(chǎn)品最終測試 EMC 時(shí)， DC-DC 模塊卻成了 EMC 超標(biāo)的一個(gè)重要因素，因此在設(shè)計(jì)時(shí) DC-DC 的 EMI 噪聲抑制必須引起重視。本文將根據(jù)博主實(shí)際整改經(jīng)歷主要介紹 DCDC 模塊噪聲來源并提供一些整改意見，給具有相同 EMI 問題的同仁一個(gè)參考。

二. 問題描述

進(jìn)行 EMI傳導(dǎo)測試時(shí)在 1.2MHz、2.4MHz、3.6MHz 左右傳導(dǎo)超標(biāo)，在 1.2 M 及其倍頻處出現(xiàn)尖峰（測試標(biāo)準(zhǔn) EN55014）。

圖 1 檢測機(jī)構(gòu)傳導(dǎo)測試波形

三. 問題定位

1. 將外設(shè)逐個(gè)關(guān)閉，測量其傳導(dǎo)。結(jié)果在關(guān)閉其他外設(shè)僅進(jìn)行供電的情況下其頻段點(diǎn)對應(yīng)尖峰仍然存在。

2. 單獨(dú)啟用 DCDC，測量其傳導(dǎo)。結(jié)果測出噪聲頻譜與傳導(dǎo)檢測頻譜基本一致，確認(rèn)噪聲為 DCDC 模塊導(dǎo)致。

圖 2 僅啟用 DCDC 測試波形

四. 問題分析

在確認(rèn)傳導(dǎo)超標(biāo)是由 DCDC 引起之后，我們需要確認(rèn)噪聲產(chǎn)生的原因。開關(guān) DCDC 轉(zhuǎn)換器噪聲來源基本分為兩個(gè)部分：

1. 開關(guān)工作時(shí)基本頻率引起的噪聲

2. 開關(guān)時(shí)振鈴和輸入電壓波動引起的噪聲

首先通過排除法進(jìn)行確認(rèn)：傳導(dǎo)測試時(shí)使用直流純凈電源，基本排除輸入電壓波動導(dǎo)致的尖峰，尖峰出現(xiàn)在傳導(dǎo) 0.15Mhz~30MHz 中，輻射測試時(shí)未出現(xiàn)有明顯的峰值，若是開關(guān)時(shí)的振鈴高頻噪聲，其頻率通常會在百兆級，仔細(xì)觀察傳導(dǎo)測試時(shí)的尖峰頻率，發(fā)現(xiàn)基本落在 1.2 MHz 及其倍頻處，且查閱手冊 DCDC 開關(guān)工作頻率為 1.2 MHz，認(rèn)為是由開關(guān)工作基本頻率引發(fā)噪聲。

圖 3 檢測機(jī)構(gòu)輻射測試波形

在開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)會產(chǎn)生紋波及開關(guān)噪聲，進(jìn)一步確認(rèn)噪聲來源需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測量出 DCDC 紋波噪聲及電源輸出端的頻譜。

紋波：指電源輸出時(shí)，疊加在穩(wěn)定直流電源上的交流成分。這種波動主要是由于自身的開關(guān)、PWM調(diào)節(jié)等因素引起的，其頻率一般與開關(guān)頻率相同。

開關(guān)噪聲：發(fā)生在電源的開關(guān)時(shí)刻。開關(guān)噪聲的重復(fù)周期和PWM頻率一致，但振蕩頻率一般都很高。開關(guān)噪聲振幅一般取決于電源芯片、電路寄生參數(shù)以及PCB布板。

圖 4 紋波和噪聲

圖 5 是通過示波器測量的 DCDC 紋波時(shí)域圖，可以看到并沒有很明顯的開關(guān)噪聲幅值

圖 5 紋波時(shí)域測量

圖 6 是通過示波器測量的電源輸出端的頻譜，在百兆的高頻段未出現(xiàn)高的幅值，出現(xiàn)尖峰的頻率點(diǎn)確實(shí)是落在 1.2 M 及其倍頻處。

圖 6 輸出端頻域測量

此時(shí)確認(rèn)是由 DCDC 的 1.2MHz 開關(guān)頻率引起的紋波電流噪聲，紋波頻率等于開關(guān)電源的工作頻率。紋波是開關(guān)電源的固有屬性，無法從根本上消除，但它也是一種有規(guī)律的、可預(yù)測的信號變化，可以通過濾波等方法降低其影響。在 DCDC 芯片的參考設(shè)計(jì)中通常會加入濾波電容來濾除紋波噪聲干擾，大容量電容濾除較低頻的紋波電流，較小電容可以濾除更高頻率的紋波電流輸出。例如在博主使用的 DCDC 模塊參考設(shè)計(jì)中就中加入了 22uF 電容來濾除 1.2 MHz 的電流噪聲，并且加入了其余容值的電容來濾除其他頻段的噪聲。

圖 7 設(shè)計(jì)初已加入的濾波電容

圖 7 所示是在設(shè)計(jì)初期加入的濾波電容，已經(jīng)涵蓋了多段頻率范圍，防止多個(gè)頻段的噪聲，那為什么已經(jīng)加入了濾波電容，在電源線上仍會有該頻率的尖峰呢？

仔細(xì)查看博主 DCDC 模塊 PCB 布局會發(fā)現(xiàn)問題所在，PCB 設(shè)計(jì)時(shí)在頂層濾波電容及 DCDC 芯片的噪聲電流回路中出現(xiàn)了交叉及隔斷現(xiàn)象，雖然有在地層進(jìn)行接通，但由于噪聲的回流不是最短路徑，不一定會按照設(shè)想的回路進(jìn)行傳輸，濾除后噪聲回到芯片地路徑變長，回流路徑變大，噪聲回到 DCDC 地引腳的路線無法確定，最終噪聲電流通過電源線以差模噪聲和共模噪聲的形式傳輸干擾，表現(xiàn)為傳導(dǎo)超標(biāo)。