表征DC-DC轉換器振鈴的EMI

開關電源會產生由振鈴引起的輻射和傳導發射。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品中無處不在。雖然它們比線性穩壓器效率更高，但它們也會產生大量干擾，從而影響附近的電路。本文中的測量結果顯示了開關是如何產生振鈴的。

傳導 EMI 輻射來自電源輸入，通過開關器件的快速轉換和開關波形的振鈴。來自開關波形的諧波發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。

開關轉換器拓撲

圖 1 顯示了典型的降壓轉換器拓撲。開關、二極管和電感的結點通常是一個梯形波形，具有尖銳的上升沿和下降沿。快速的上升和下降時間會產生諧波發射。然而，開關和走線中的電容和電感寄生元件會導致波形上出現振鈴。這種振鈴會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。開關動作會產生振鈴，從而產生發射。

圖 2 以數學方式顯示了時域中的振鈴如何轉換頻域中的諧波峰值。

圖 2.開關波形上的振鈴會導致振鈴頻率處的發射增加。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 功能顯示產生的發射。稍后，我們將 Micsig FFT 與更精確的 Siglent SSA 3032X 頻譜分析儀進行比較。

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

產生的振鈴頻率如圖 4 所示。通過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.擴展開關波形的前沿，發現在 231 MHz 處具有很強的振鈴頻率。

要觀察頻域圖，您應該顯示幾個開關周期（圖 5）。打開示波器上的 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 以觀察發射峰值。雖然 Micsig 只是一個 8 位示波器，但它顯示了相當精確的環形頻率 FFT。

圖 5.通過調整時基以顯示更多的開關周期，您可以最好地觀察得到的頻域圖。

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圍，然后夾在輸出負載電阻器周圍（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，并可能導致輻射發射故障。在開關器件上使用 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形發射。

圖 7 中的峰值大致對應于我使用示波器測得的發射。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 電流探頭實現輻射峰值。

一旦我們建立了振鈴的基線，我們就會開始嘗試改進電路板布局或緩沖網絡，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誘導的寄生共振。這只是表明具有 FFT 功能的中等價格示波器可以幫助進行 EMC 測量和后續緩解實驗。當然，對于更嚴肅的 EMC 研究，我會將示波器與頻譜分析儀結合使用，以實現精確的振鈴頻率監測。

由于大多數產品都有多個板載 DC-DC 轉換器，這組實驗還表明了檢查電源轉換器開關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射，有時甚至達到數百 MHz。