汽车DCDC开关电源的EMI噪声源分析

本期内容       

各位“攻城狮”朋友们，MPS电源小课堂又准时上线啦~

随着汽车智能化的普及，车上会装配越来越多功能复杂的电子零部件，例如最近几年比较热门的自动驾驶，智能座舱等。这些科技感十足的产品，都需要汽车级DCDC 电源来供电, 而DCDC开关电源又是EMI的源头，是汽车电子绕不过去的难题。

我们将分三期来讨论DCDC开关电源EMI问题， 分别是：

DCDC噪声源分析

汽车级DCDC如何通过芯片设计来优化EMI

汽车DCDC系统EMI优化设计

本期电源小课堂，我们首先来给大家分析下DCDC开关电源的噪声源。

我们以常用的降压型Buck为例，下图是一个典型的Buck电路:

图2

Buck电路工作有如下两个工作过程：

图3 上管Q1开通，电感电流线性上升

图4 下管Q2开通时，电感电流线性下降

由于开关Q1,Q2的轮流导通，则输入电容Cin/Q1/Q2这个环路A1的区域的电流是不连续的，如下图:

图5

A1区就是我们常说的高频电流环，这个不连续的电流就是di/dt EMI噪声源，而输出的环路由于电感电流是连续的三角波，所以噪声较小。

DCDC 的另外一个噪声源就是开关节点SW的dv/dt噪声源，当上下管轮流导通时，SW的电压在高低高低的变化，SW节点的电压变化就形成了dv/dt噪声源。

图6

那么知道DCDC两大噪声源di/dt和dv/dt，他们是怎么产生EMI问题的呢？

首先我们先来看看di/dt 的EMI问题。

我们将典型的Buck电路和传导测试的LISN网络画到一起，如下图：

图7

分析噪声源时，我们可以用戴维南等效电路来分析，Q1上的不连续的电流，产生了di/dt噪声, 我们可以用一个等效的电流源ISW代替，Q2上有电压变化，我们可以用一个等效电压源 VSW 代替，等效电路如下:

图8

根据叠加定理，单独分析 ISW di/dt噪声时， VSW 短路，简化模型如下，ISW噪声可以通过LISN网络，被LISN网络的两个50ohm电阻测到，产生了一个差模噪声干扰：

图9 

再单独分析电压源 VSW ，电流源ISW则需要开路，简化模型如图。

这个时候，其实看到VSW跟LISN网络断开，也就是说VSW不产生差模噪声。

图10 电流源短路

图11 简化后模型

通过以上分析似乎di/dt的噪声源似乎很容易处理，如果只是差模噪声，那di/dt的EMI就非常容易了，只需要在输入端加差模LC滤波器，但实际上，很多工程师都发现，输入加了差模PI滤波器，di/dt的EMI问题依然存在，特别是高频段的EMI问题。

其实，实际电路中，会有寄生电感Lp和寄生电容Cp，如下图所示：

随着频率的升高，寄生电感Lp阻抗增加，寄生电容Cp阻抗降低，差模电流路径将被Lp阻断，同时寄生电容Cp将提供一个路径，在高频段di/dt通过LISN，以及寄生电容Cp形成一个回路，由此可见，di/dt在高频段将转换成共模噪声了。

图12

解决di/dt的高频的共模问题， 也就变成了如何优化寄生电感Lp了，我们会在接下来的微信小文章中来分享具体的方法。

那么dv/dt 高频噪声，是怎么被LISN网络测试的？

上面我们分析了VSW不产生差模噪声，那么VSW有没有共模噪声呢？

还是用之前的模型，并将电路的寄生参数画出来，开关节点SW 对大地是有寄生电容Cpsw，VSW的电压变化，会在寄生电容Cpsw产生电流，dv/dt 通过寄生电容Cpsw回到大地，然后回到LISN网络，简化模型如图，所以dv/dt产生一个共模噪声。

图13 Dv/dt噪声源传输路径

图14 简化后模型

dv/dt的EMI 优化，我们也会在接下来的微信文章中来给大家分享。

通过以上的分析，相信大家都对DCDC的EMI两大噪声源有了一定的了解，学习更多干货知识，请持续关注MPS微信公众号以及MPS电源小课堂。

审核编辑：汤梓红