电磁兼容(EMC):BUCK变换器基本原理及传导辐射分析设计

目录

1. BUCK电路拓扑及原理

2. Buck拓扑电路电磁场分析

3.总结


       开关电源替代线性电源,解决了效率和体积问题,但也带来了新的EMI问题。开关电源也是产品内部的强辐射源之一,基于透过现象看本质,将复杂问题简单化,本文和大家一起聊聊Buck电路拓扑变换器基本原理及传导辐射分析设计。

1. BUCK电路拓扑及原理

       Buck 变换器,也称为降压型变换器,它是设计者最常用的开关变换器。Buck变换器的拓扑图如下图所示。在该图中,VD 表示续流二极管,  L、C 分别表示滤波电感和电容,S 是功率开关管。
 
       其具体的工作原理:
       S功率开关管导通期Ton,Uin给电感L充能至电压Von,电感电流线性上升,同时给电容C充能及负载供电;
       S功率开关管关断期Toff,电感L两端电压Voff反向,电感电流线性下降,续流二极管VD导通,电感L给电容C供能提供给负载。
       D为占空比,D=Ton/T(T为导通周期,T=Ton+Toff)
输出电压U0与输入电压Uin的关系,忽略二极管的管压降,可联立公式计算:

       联立以上公式可计算出:Vo=D*Vin举例说明:输入Vin为24V,导通占空比D为50%,则Vo为12V。当然这只是理想的拓扑理论计算值,可作为粗略的参考。

2. Buck电路电磁场分析

       首先在EMC领域讨论都是时变电磁场,包含时变电场与时变磁场。我们需要做的便是对产品电路关于时变磁场和时变电场的分析设计。时变磁场是由快速变化di/dt回路将产,时变电场则是由快速变化的dv/dt。因此EMC设计需要对电路中的这些“脏线”与“动点”了如指撑,方能做出合理的设计。以下对Buck变换器拓扑这两种情况做详细分析:di/dt快速变化的主回路主要有两个。如下图所示,当电路中的MOSFET器件Q1导通时,电流从电源流出,经Q1和L后进入输出电容和负载,再经地线回流至电源输入端。在此过程中,电流中的交变成分会流过输入电容和输出电容,其电流路径为图中的i1。
 


       当Q1开关管截止以后,电感电流还会继续保持原方向流动,而续流二极管VD将在此时导通,这时的电流经VD、L、输出电容流动并经地线回流至VD,其电流路径为图中的i2。电流i1和i2都是不连续的,这意味着它们 在发生切换的时候都存在陡峭的上升沿和下降沿,这些陡峭的上升沿和下降沿有极短的上升和下降时间,因而存在很高的电流变化速度di/dt,其中就必然存在很多高频成分。所在在回路中i1和i2是差模电流,差模电流的发射对应为环形天线。亦即磁场辐射与差模辐射相对应。
       辐射电场E=AFI,其中A为环路面积,F为高频信号频率,I为高频信号电流。信号环路面积的A大小与远场的辐射电场E成正比,因此必须限制环路面积大小。
       在Buck变换器拓扑中,电流环i1和i2共用了开关节点P、电感L、输出电容、地线到VD这一段路径。如下图示,图中的P点存在电压的快速变化,动点P在回路中有dv/dt变化。因此P点的所有连接线就是电路中的电场模型。电压变化点是产生共模发射的源头,也是电源中共模电流的路径。共模电流产生共模发射,共模发射可等效为单偶极子天线。
 


       动点的存在使产品中形成共模电压,进而产生共模电流。当外接电缆或PCB板上有长走线与该点相连时,就会在共模电压激励下产生共模电流,成为辐射电场的天线。这大多数是由于接地系统中存在电压降所造成的。因此PCB设计时,必须减小动点走线长度,同时还需要减小电路中地线长度。

3.总结

       因此基于di/dt,dv/dt,源阻抗,环形天线和单端天线(单极子天线和偶极子天线)的理论分析,结合Buck电路的特性,分析出电路中的辐射源和耦合路径而基本可以给出对应的解决方案。

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