BUCK电路主要干扰源头与差模传导发射分析

BUCK电路为典型的开关电源电路，为降压电路，其主要电路拓扑结构如下，随着开关管不停的通断，右边的输出电压低于左边的输入电压，从而实现降压功能。

图 开关电源BUCK电路结构图

我们首先来分析这个电路的主要干扰源，上一篇文章我们分析了开关电源的主要干扰源主要由3部分组成，含有高频流也就是大的di/dt回路和电压快速变化也就是大的dV/dt动点区域，以及地线上高频电流流过的区域形成的地噪声。

1、BUCK电路主要干扰源头分析

BUCK****变换器中有两个电流快速变化的大的di/dt回路；

当MOS管导通时候，二极管D截止，电流从电源流出，经过电感L流向输出电容，再经地线流回电源输入端；

当MOS管截止的时候，电感还会保持原来的电流，而续流二极管这个时候导通，从而电流从二极管流出，再经过电感和输出电容，再从地线上返回。

图 两个高频电流辐射回路

由于这两个回路有高频电流流动，回路形成环天线效应会对外产生较大的差模辐射，因此在进行PCB布局的时候要尽可能的减小这两个环路的面积。

BUCK****变换器中有电压快速变化的大的dV/dt动点区域；

当MOS管导通时候，下图红色动点区域的电压等于输入电压，当MOS管关断时候，红色区域电压约等于0（忽略二极管导通压降），因此红色动点区域电压随着开关频率快速变化，是主要的共模干扰源。

图 电压快速变化的动点区域

由于动点区域有大的dV/dt，容易通过分布电容耦合到其它区域，产生共模传导发射和辐射发射。

BUCK****变换器中地噪声较大的区域；

前面我们分析了两个高频电流回路，因此下图中加粗的红色和蓝色地线都是地噪声较大的区域，容易驱动输入和输出电源线对位产生共模辐射发射。

图 地噪声较大的区域

2、BUCK电路EMI传导分析

我们首先来分析BUCK电路的差模传导发射。

** 首先分析输入回路的差模传导发射** ，输入回路的差模传导发射直接影响到我们CE102的测量，在分析差模传导发射时候，可以将LISN近似等效为2个50欧姆的电阻。

图 BUCK电路输入端差模传导发射分析

输入回路的差模传导发射是由于开关管Q开关形成的高频开关电流引起的，高频开关电流一部分经过输入电容回流形成回路，但是由于输入电容是个大电容，一般有较大的ESL和ESR，所以会导致一部分电流经过两个50欧姆电阻回流，流过50欧姆电阻的电流产生的电压形成了我们的差模传导发射。

我们如何降低差模传导发射呢？最简单的思路就是我们增加两个50欧姆电阻回路的阻抗同时减小流过电容回路的阻抗，这正是EMI滤波器的功能。

我们在输入输出电源线上同50欧姆电阻串联了差模电感，增加了阻抗，同时在大的输入电容旁边并联了一个高频小电容，缓解了大电容高频滤波不足的能力。通过这种方式我们让Q1开关的高频扰动电流尽可能的从电容回流，减小从两个50欧姆电阻的回流，从而减小了差模传导发射。

图 加入EMI滤波器

图 引入的差模EMI滤波器

** 接下来我们分析输出回路的纹波电压** 。

因为输出回路我们不涉及到传导发射，传导发射是对输入电源线的影响。对于输出回路我们希望尽可能的减小纹波电压，主要有以下两方面考虑：（1）纹波电压越小，给负载提供的电质量越好；（2）输出电源线上的纹波电压会对外产生辐射，纹波电压越小，这种辐射效应也越少，我们需要控制纹波电压控制DC/DC输出回路对外辐射。

图BUCK电路输出端纹波电压分析

对于输出回路，由于流过电感的电流在不停的变化，这种高频电流一部分经输出电容回流，还有一部分流过负载电阻。在输出电容旁边并联一个高频小电容，减小流过负载的高频电流，减小输出纹波电压。

图BUCK电路输出端纹波电压分析

** 接下来我们来分析BUCK电路的共模传导发射。**

共模电流是有大的dV/dt动点区域驱动，共模电流通过寄生电容回流。寄生电容主要有两块，一个是动点区域到地的寄生电容，还有一个是输出对地的寄生电容。因此共模电流一部分从输入回路返回，一部分从输出回路返回。

图 输入回路的共模电流

对于输入回路，流过50欧姆的共模电流会引入传导发射问题，因此，希望流过50欧姆的高频共模电流越小越好，那么如何去做呢，我们可以通过引入共模EMI滤波器。

图 引入共模滤波器输入回路主要的共模电流

由于50欧姆电阻上串联了共模电感，增加了共模电流的阻抗，而共模电阻又是低阻抗的，所以大部分共模电流会从共模滤波电容回流，减小了流过LISN(50欧姆电阻)的共模电流，从而减小了共模传导发射。

图 输出回路主要的共模电流

对于输出回路的共模电流，不会带来传导发射问题，但是会增加输出电压的纹波电压，可以通过在输出电容两端并一个小的高频电容，这样输出回路共模电流主要从高频小电容回流，减小输出端的纹波电压。

图 增加高频滤波电容后输出回路主要的共模电流

3、BUCK电路EMI辐射分析

BUCK电路的EMI辐射主由三部分构成：高频差模电流回路产生的辐射，高频共模电流回路产生的辐射和地线上噪声驱动电缆产生的辐射。

** 首先我们来看高频差模电流回路产生的辐射。**

图 差模电流辐射

通过在输出输出电容两端并联高频小电容，从而使高频电流从高频小电容回流，同时在PCB布局的时候尽可能减小其回路面积，从而减小差模辐射。

图 增加高频电容减小差模电流辐射

** 接下来我们来看地线上高频电流驱动电缆产生的辐射。**

地线上的高频电流流过形成噪声电压，噪声电压驱动外部电源线形成单极子天线模型产生辐射。

图 地噪声电压驱动外部电源线产生辐射

解决地上的噪声我们主要要在PCB布局的时候尽可能的将高频电流流过的地线布的粗而短，充分的减小地线的阻抗，从而减小地上的高频共模噪声电压，最终减小其驱动电缆对外产生的辐射。

** 最后我们来共模电流回路产生的辐射。**

图 输入回路共模电流产生的辐射

对于输入回路可以通过增加EMI滤波器从而减小输入高频共模电流回路的面积，从而减小共模辐射。

图 增加EMI滤波器后输入回路共模电流产生的辐射

对于输出回路，增加高频电容滤波同样减小了输出回路的共模辐射。

由于篇幅有限，这里主要分析了BUCK电路的主要噪声源和耦合路径分析，主要让大家对噪声源和耦合路径有更好的了解。还有一些其它的减小辐射发射的方法，比如开关频率抖动，在开关管源级和漏级增加吸收电路等，这些都是从源头上降低开关电源EMI问题的方法。