表征DC-DC轉(zhuǎn)換器振鈴的EMI

開關(guān)電源會產(chǎn)生由振鈴引起的輻射和傳導(dǎo)發(fā)射。示波器和頻譜分析儀的測量結(jié)果讓您能夠看到它們。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器在大多數(shù)電子產(chǎn)品中無處不在。雖然它們比線性穩(wěn)壓器效率更高，但它們也會產(chǎn)生大量干擾，從而影響附近的電路。本文中的測量結(jié)果顯示了開關(guān)是如何產(chǎn)生振鈴的。

傳導(dǎo) EMI 輻射來自電源輸入，通過開關(guān)器件的快速轉(zhuǎn)換和開關(guān)波形的振鈴。來自開關(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。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/h3>

圖 1 顯示了典型的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。開關(guān)、二極管和電感的結(jié)點通常是一個梯形波形，具有尖銳的上升沿和下降沿?？焖俚纳仙拖陆禃r間會產(chǎn)生諧波發(fā)射。然而，開關(guān)和走線中的電容和電感寄生元件會導(dǎo)致波形上出現(xiàn)振鈴。這種振鈴會導(dǎo)致輻射達(dá)到數(shù)百兆赫茲。

圖 1.典型的降壓轉(zhuǎn)換器電路使用 MOSFET 將輸入切換到電感器和電容器。開關(guān)動作會產(chǎn)生振鈴，從而產(chǎn)生發(fā)射。

圖 2 以數(shù)學(xué)方式顯示了時域中的振鈴如何轉(zhuǎn)換頻域中的諧波峰值。

圖 2.開關(guān)波形上的振鈴會導(dǎo)致振鈴頻率處的發(fā)射增加。資料來源：Clayton Paul。

示波器測量顯示振鈴

我們來看一下使用 GaN 開關(guān)器件的 1 MHz DC-DC 轉(zhuǎn)換器的振鈴頻率。圖 3 顯示了測試設(shè)置。我們將使用 300 MHz Micsig 示波器測量振鈴，并使用內(nèi)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。通過添加垂直光標(biāo)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(kuò)展開關(guān)波形的前沿，發(fā)現(xiàn)在 231 MHz 處具有很強(qiáng)的振鈴頻率。

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

圖 5.通過調(diào)整時基以顯示更多的開關(guān)周期，您可以最好地觀察得到的頻域圖。

頻譜分析儀測量

現(xiàn)在，讓我們切換到 Siglent SSA 3032X 頻譜分析儀并比較發(fā)射結(jié)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圍，然后夾在輸出負(fù)載電阻器周圍（圖 6）。連接到這些點中的任何一個的任何長電纜都可能用作高效天線，并可能導(dǎo)致輻射發(fā)射故障。在開關(guān)器件上使用 RF 電流探頭，而不是示波器探頭，應(yīng)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(yīng)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，所以峰值可能與開關(guān)處的示波器探頭測得的峰值不匹配。但是，這些結(jié)果應(yīng)該可以很好地說明您可以預(yù)期的排放性能。

圖 7.使用電源輸入電纜（紫色）和功率輸出負(fù)載（藍(lán)色）上的 RF 電流探頭實現(xiàn)輻射峰值。

一旦我們建立了振鈴的基線，我們就會開始嘗試改進(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(jié)

我很驚訝 Micsig 可以像它一樣測量這些環(huán)誘導(dǎo)的寄生共振。這只是表明具有 FFT 功能的中等價格示波器可以幫助進(jìn)行 EMC 測量和后續(xù)緩解實驗。當(dāng)然，對于更嚴(yán)肅的 EMC 研究，我會將示波器與頻譜分析儀結(jié)合使用，以實現(xiàn)精確的振鈴頻率監(jiān)測。

由于大多數(shù)產(chǎn)品都有多個板載 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，這組實驗還表明了檢查電源轉(zhuǎn)換器開關(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(zhuǎn)化為輻射發(fā)射，有時甚至達(dá)到數(shù)百 MHz。