DCDC电源问题排查思路分享

原创 韬略科技EMC 2022-09-20 17:30

概述

电源在一个典型系统中担当着非常重要的角色,从某种意义上来讲,可以看成是系统的心脏。在电源系统中常用的电源技术是:线性电源,脉宽调制(PWM)开关电源。线性电源的输出电压只能低于输入电压,并且每个线性电源只能产生一路输出,而且存在很大的损耗;PWM开关电源在使用时比线性电源具有更高的效率和灵活性,在很多便携式产品和对功率要求高的场合更多使用的是开关电源。

虽然PWM开关电源实用性强,但是该模块在工作时,开关切换瞬间电路中会产生快速变化的电流i和快速变化的电压u,即di/dt和dv/dt,这二者与PCB的走线以及线缆一起,构成了电磁骚扰EMI源头。那么开关电源的EMI问题该如何解决呢?

确定辐射源头

面对越来越复杂的电路系统,我们很多时候都没办法对辐射问题作出快速判断。下面是实测辐射数据波形,仅仅通过波形我们能否直接对EMI问题作出判断呢?

①EN55032标准下30MHz~1GHz辐射测试波形

②GB/T 18655标准下杆天线0.15MHz~30MHz辐射测试波形

以上测试波形来自不同电子产品,通过排查发现辐射源头都是DCDC电源模块。然而我们没办法直接通过测试波形就确定辐射源头是哪个模块,一些信号频率与电源开关频率相近的电路模块辐射测试结果相似,这种情况也会对我们的判断产生误导。

接下来让我们一起来讨论下有哪些便捷有效的手段可以用来快速找到辐射源头:

①列举可疑清单(存在高低电平变化的电路:数字信号,开关电源)

②通过软件或电路开路等方式逐个排查(找出非电源噪声源头)

③理清电源树,逐个验证,对于电源模块比较多的系统,以下图为例:

小编总结有两种方式可以用来逐个排查电源问题:

A.断开待排查模块电源,用等效负载替代,如下图所示,此时电路功率不变,对比前后测试数据,若数据不变,则该电源模块没问题:

B.断开待排查模块电源,用直流源替代上一级电源给该模块供电,同时断开电路的主电源,保证电路只有这个模块工作,如下图所示,若整体数据不变,则问题源头就是该模块:

通过以上步骤,大体可以对整个电路的辐射源头有一定的判断,当然也会存在某些模块无法断开的情况,这种情况下,如果条件允许,可以将其中一个模块屏蔽起来,并且将他与其他模块的连线做滤波隔离,若测试前后数据不变,则该模块没问题。如果无法准确判断辐射源头,直接对所有模块都做处理,这样存在的问题是当措施无效时,无法判断是措施无效还是源头找错了。

常见DCDC处理方案

有时候找到问题源头,问题已经解决了一大半了,但却仅仅只是开始。电磁干扰包括辐射型(高频)EMI、传导型(低频)EMI,即产生EMC问题主要通过两个途径:一个是空间电磁波干扰的形式;另一个是通过传导的形式,传导干扰是通过电源线骚扰公共电网或通过其他端子(如:射频端子,输入端子)影响相连接的设备。针对DCDC电源模块,噪声源可以分为三个:

①PWM开关频率及其倍频,开关频率一般在2MHz以内,以低频传导干扰为主;

②开关电源环路中的LC谐振,产生振铃现象,辐射频宽可从几十MHz到200MHz,属于高频辐射;

③二极管反向恢复,辐射频宽两三百MHz,属高频辐射。

针对这两种辐射方式,现提出以下解决方案:

(1)环路控制   

高频电流环路面积越大, EMI辐射越严重。DCDC电源PCB设计时,尽量保证下层有完整的参考地平面,回流路径控制尽量小,减小空间辐射。

(2)增加输入输出端滤波

DCDC输入输出采用多级滤波,输入输出滤波频段尽量全面,采用多个容量电容滤波;电源开关管对地加RC吸收,抑制振铃现象。

(3)增加端口滤波

端口和信号线输出部分也需要做滤波措施,特别是端口地的处理,可使用共模电感对地噪声进行处理。

总结

电磁兼容整改主要还是围绕三要素进行,即干扰源、辐射路径以及敏感对象,关于如何找到辐射的干扰源本文只是简单提及了一下,纯粹是抛砖引玉,更多的还是依靠广大工程师们在平时整改中总结的经验。在已经确定了辐射源的情况下,整改可以从辐射源和辐射路径两个方向进行,本文针对DC电源模块的噪声源头以及常用的整改手段都作了简要的阐述,其中还有许多不足之处,敬请各位大神批评指正,相互交流相互进步。


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