【经验】升压型DCDC转换器（BOOST）降低辐射EMI的方法

时间： 2021-05-28 来源：芯洲科技

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随着便携式设备如蓝牙音箱，便携式打印机，以及电子烟的普及，单节或者多节锂电池的应用越来越常见。锂电池电压随着电量的下降而降低，例如单节锂电池电压会从4.2V将到3.0V，因此开关型大电流升压DCDC转换器（以下简称BOOST）成为提供稳定电源轨的常用器件。由于大电流以及高di/dt，dv/dt回路的存在，BOOST变换器带来不可抗拒的开关噪声，因此导致EMI超标。EMI问题是电路设计的普遍痛点，本文将重点讲述在升压型DCDC转换器使用中降低EMI的几个重要方法。

1、升压型DCDC转换器（BOOST）辐射EMI分析

图1是典型的同步BOOST电路，由输入电容Cin，电感L，有源开关器件Q1,Q2以及输出电容Cout组成。同时形成4个回路，其中回路2，3（红色）为开关电流断续回路，高di/dt, dv/dt。因此, SW节点震铃明显。图中回路1（蓝色）为电流连续回路，电感电流连续，高频噪声主要来源于SW节点开关高频噪声的传导。回路4（蓝色）为电流连续回路。但是，由于Q2电流断续，Cout的容值大小以及位置决定了回路4中Vout节点高频噪声幅值。

图1 BOOST 开关回路分析

以芯洲科技BOOST SCT12A0 EVM为例，图2为SW节点典型的开关波形（输出仅放置Bulk电容）。SW开关节点振铃幅值高达10V，震荡频率为200MHz左右。

图2 SW 开关节点波形

图3是对应于图2的实际辐射EMI测试结果，采用3m方法，蓝色为垂直方向，红色为水平方向。测试结果显示噪声在频域上的峰值在200MHz附近，与时域测试结果图2吻合。因此抑制辐射EMI峰值意味着需要大幅度降低SW节点的振铃幅值，以及振铃周期数。

图3 辐射EMI测量幅值（CE测试标准）

2、BOOST输出电容选择

如图1所示，BOOST的Cout选择有几个关键因素，1）输出纹波幅值， 2）系统稳定性需求，3）SW节点的振铃幅值, 4)输出电容耐压等级（陶瓷电容容值随耐压增加而衰减）。其中 1），3），以及4）与SW节点振铃幅值，辐射EMI息息相关。

图4 SCT12A0 原理图

图1中输出回路3（包含Q2, Cout）是断续回路，必须连接一个100nF~1uF去耦电容，该去耦电容对于降低SW振铃幅值有着关键作用。以SCT12A0为例，图4为典型SCT12A0应用，C6为去耦输出电容，C7为输出大容量Bulk电容。为了获得低的输出纹波，建议选择低ESR陶瓷电容，通常3~4颗 22uF的X5R电容可以满足大多数应用。更大的容值有利于输出电压动态响应。鉴于陶瓷电容随着电压增加，容值减小的特性，建议选择电容耐压时考虑留有足够的裕量。例如输出电压12V，建议至少选择20V或者25V耐压电容以维持足够有效的电容值。根据输出纹波幅值要求，可以利用公式 (1) 和（2）计算最小需求电容值 C_OUT。

● Vripple_C 输出纹波幅值 ● Vripple_ESR 输出电容ESR导致纹波

● VIN_MIN最低输入电压 ● VOUT 输出电压

● IOUT 输出电流 ● ILpeak 电感电流峰值

● ƒSW 开关频率 ● ESR 输出电容ESR值

3 、Boost版图注意事项

正确的PCB版图是降低辐射EMI的必要条件，以SCT12A0为例，下文详述几点版图注意事项。

图5 SCT12A0 版图

由于输出回路是开关回路，高di/dt, dv/dt。减小回路面积至关重要，输出回路去耦电容C6必须放置在离VOUT, GND管脚最近的位置，从而降低SW振铃幅值，如下图5红色箭头所示。利用NC管脚作为输出功率地，从而更近一步降低输出回路面积，VOUT, NC管脚铺铜尽量宽；由于SW的高频振铃同样会耦合至输入端，输入bulk电容需要尽量放置离电感，GND近的位置以减小输入回路面积。输入端去耦电容同样需要离VIN端越近越好；下层大面积铺地，降低地回路阻抗。采用8mil的过孔连接上下大地，降低热阻；从系统稳定性考虑， AGND与PGND单端相连，通过散热焊盘底部相连，（散热焊盘同时也是功率地）。当VOUT添加上C6去耦电容，并严格按照版图注意事项布板，测试波形如下图6所示。SW振铃幅值降低到6V，同时震荡明显周期变少。

图6 添加去耦电容C6，测试波形

4 、SW开关节点噪声吸收电路选择

在SW开关节点添加对地的RC高频噪声吸收电路如图7所示，可以直接降低SW节点振铃幅值，该吸收电路通过降低dv/dt来降低SW节点振铃幅值，因此该电路会牺牲BOOST效率,在1%以内。

图7 SCT12A0采用SW节点振铃吸收电路

以SCT12A0系统为例，SW高频噪声在200MHz附近，因此选择Rs=2Ohm, Cs=2nF。图7为SW节点加上该吸收电路，测试结果为图8所示。相比于图2所示，SW幅值大幅降低（蓝色=SW, 绿色=VINAC）。

图8 添加SW振铃吸收电路，测试波形

图9为添加SW节点RC吸收电路后辐射EMI测试结果。相较于图3，EMI峰值下降了20dB.该测试结果是基于SCT12A0 EVM测试，无系统级EMI过滤器。

5、磁珠的选择

在系统级应用中，如果需要进一步降低辐射EMI，贴片式磁珠是最简单的选择。关于磁珠的选择，有下列几个注意事项。

● 磁珠的频率需要覆盖高频噪声频段，根据图3，该磁珠需要在100MHz~300MHz频段表现为高阻抗值。

● 磁珠的饱和电流需要30%高于实际工作的峰值电流

● 磁珠的等效阻抗越低越好，有利于减少磁珠带来的功耗。

图9 辐射EMI测试结果（带RC吸收电路）

6、结论

由于辐射EMI主要关注的是几十MHz到几百MHz频率的噪声，对于BOOST电路而言，SW点是噪声的主要来源。所以相应的可以通过优化布局，增加RC吸收电路，使用高频滤波电容的方法降低SW点的振铃能量和频率，从源头减小辐射的噪声，还可以通过在辐射传播路径上增加磁珠的方式，阻断噪声的传播。通过这样的方式，可以有效提升辐射EMI通过测试的概率。

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产品型号	品类	Package	Switch Freq (Max)（KHz）	Switch Freq (Min)（KHz）	Iq Typical（mA）	Vout (Max)（V）	Vout (Min)（V）	Vin (Max) (V)	Vin (Min)（V）	控制方式
SCT1271FQAR	同步升压DCDC转换器	QFN-11	2200	200	0.15	12.6	4.5	12	2.7	PCM