表征DC-DC轉換器振鈴的EMI

開(kāi)關(guān)電源會(huì )產(chǎn)生由振鈴引起的輻射和傳導發(fā)射。示波器和頻譜分析儀的測量結果讓您能夠看到它們。

DC-DC 轉換器在大多數電子產(chǎn)品中無(wú)處不在。雖然它們比線(xiàn)性穩壓器效率更高，但它們也會(huì )產(chǎn)生大量干擾，從而影響附近的電路。本文中的測量結果顯示了開(kāi)關(guān)是如何產(chǎn)生振鈴的。

傳導 EMI 輻射來(lái)自電源輸入，通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的快速轉換和開(kāi)關(guān)波形的振鈴。來(lái)自開(kāi)關(guān)波形的諧波發(fā)射已在其他地方充分介紹，但我想在本文中演示的是這種振鈴。

開(kāi)關(guān)轉換器拓撲

圖 1 顯示了典型的降壓轉換器拓撲。開(kāi)關(guān)、二極管和電感的結點(diǎn)通常是一個(gè)梯形波形，具有尖銳的上升沿和下降沿?？焖俚纳仙拖陆禃r(shí)間會(huì )產(chǎn)生諧波發(fā)射。然而，開(kāi)關(guān)和走線(xiàn)中的電容和電感寄生元件會(huì )導致波形上出現振鈴。這種振鈴會(huì )導致輻射達到數百兆赫茲。

圖 1.典型的降壓轉換器電路使用 MOSFET 將輸入切換到電感器和電容器。開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì )產(chǎn)生振鈴，從而產(chǎn)生發(fā)射。

圖 2 以數學(xué)方式顯示了時(shí)域中的振鈴如何轉換頻域中的諧波峰值。

圖 2.開(kāi)關(guān)波形上的振鈴會(huì )導致振鈴頻率處的發(fā)射增加。資料來(lái)源：Clayton Paul。

示波器測量顯示振鈴

我們來(lái)看一下使用 GaN 開(kāi)關(guān)器件的 1 MHz DC-DC 轉換器的振鈴頻率。圖 3 顯示了測試設置。我們將使用 300 MHz Micsig 示波器測量振鈴，并使用內置的 FFT 功能顯示產(chǎn)生的發(fā)射。稍后，我們將 Micsig FFT 與更精確的 Siglent SSA 3032X 頻譜分析儀進(jìn)行比較。

圖 3.用于測量振鈴和由此產(chǎn)生的發(fā)射的測試裝置包括示波器、頻譜分析儀和電流探頭。

產(chǎn)生的振鈴頻率如圖 4 所示。通過(guò)添加垂直光標并與相鄰峰值對齊，我們可以將振鈴頻率讀出為 “1/Δt”。

圖 4.擴展開(kāi)關(guān)波形的前沿，發(fā)現在 231 MHz 處具有很強的振鈴頻率。

要觀(guān)察頻域圖，您應該顯示幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期（圖 5）。打開(kāi)示波器上的 FFT 并調整位置以獲得最佳顯示效果。我將顯示屏設置為 100 MHz/div 以觀(guān)察發(fā)射峰值。雖然 Micsig 只是一個(gè) 8 位示波器，但它顯示了相當精確的環(huán)形頻率 FFT。

圖 5.通過(guò)調整時(shí)基以顯示更多的開(kāi)關(guān)周期，您可以最好地觀(guān)察得到的頻域圖。

頻譜分析儀測量

現在，讓我們切換到 Siglent SSA 3032X 頻譜分析儀并比較發(fā)射結果。我們將使用 Tekbox TBCPP2-750 射頻電流探頭，該探頭夾在電源輸入電纜周?chē)?，然后夾在輸出負載電阻器周?chē)▓D 6）。連接到這些點(diǎn)中的任何一個(gè)的任何長(cháng)電纜都可能用作高效天線(xiàn)，并可能導致輻射發(fā)射故障。在開(kāi)關(guān)器件上使用 RF 電流探頭，而不是示波器探頭，應該更接近潛在的輻射發(fā)射。

圖 6.我使用 Tekbox TBCP2-750 射頻電流探頭來(lái)測量耦合到電源輸入電纜的環(huán)形發(fā)射。

圖 7 中的峰值大致對應于我使用示波器測得的發(fā)射。500 MHz 峰值是 256 MHz 處基波振鈴的二次諧波。因為我們使用完全不同的方法測量振鈴頻率，所以峰值可能與開(kāi)關(guān)處的示波器探頭測得的峰值不匹配。但是，這些結果應該可以很好地說(shuō)明您可以預期的排放性能。

圖 7.使用電源輸入電纜（紫色）和功率輸出負載（藍色）上的 RF 電流探頭實(shí)現輻射峰值。

一旦我們建立了振鈴的基線(xiàn)，我們就會(huì )開(kāi)始嘗試改進(jìn)電路板布局或緩沖網(wǎng)絡(luò )，以減少寄生諧振的影響。

總結

我很驚訝 Micsig 可以像它一樣測量這些環(huán)誘導的寄生共振。這只是表明具有 FFT 功能的中等價(jià)格示波器可以幫助進(jìn)行 EMC 測量和后續緩解實(shí)驗。當然，對于更嚴肅的 EMC 研究，我會(huì )將示波器與頻譜分析儀結合使用，以實(shí)現精確的振鈴頻率監測。

由于大多數產(chǎn)品都有多個(gè)板載 DC-DC 轉換器，這組實(shí)驗還表明了檢查電源轉換器開(kāi)關(guān)波形上是否有任何大振鈴的重要性，這些振鈴可以直接轉化為輻射發(fā)射，有時(shí)甚至達到數百 MHz。