BUCK電路對(duì)通信電路的影響

【摘" 要】為解決BUCK電路對(duì)通信設(shè)備靈敏度的影響，文章先對(duì)BUCK電路原理進(jìn)行分析，然后總結(jié)出BUCK電路產(chǎn)生干擾的原因并進(jìn)行系統(tǒng)分析，最后得出解決該問題的方法為：拉長(zhǎng)BUCK電路上升沿或下降沿時(shí)長(zhǎng)；BUCK電路降低振鈴頻率。通過驗(yàn)證分析，文章給出的實(shí)際電路5種解決方法，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中能明顯改善通信電路的靈敏度問題。

【關(guān)鍵詞】BUCK；EMI；寄生；諧波

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）02-0075-02

The Impact of BUCK Circuit on Communication Circuit

TONG Gang

（Shenzhen Ruichepin Technology Co.，Ltd.，Shenzhen 518000，China）

【Abstract】To address the impact of BUCK circuits on the sensitivity of communication equipment，this article first analyzes the principle of BUCK circuits，then summarizes the causes of interference in BUCK circuits and conducts a systematic analysis. Finally，the method to solve this problem is to elongate the duration of the rising or falling edge of the BUCK circuit；The BUCK circuit reduces the ringing frequency. Through verification and analysis，the article provides 5 practical circuit solutions that can significantly improve the sensitivity of communication circuits in application design.

【Key words】BUCK；EMI；parasitic；harmonic

開關(guān)電源BUCK電路串聯(lián)一個(gè)電感，當(dāng)開關(guān)（MOS開關(guān)）斷開時(shí)，其兩端會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓Ldi/dt，形成較強(qiáng)的電磁騷擾源。車載帶通信功能的產(chǎn)品有：行車軌跡分析儀（GPS Tracker）、行車記錄儀（帶通信功能）、藍(lán)牙免提設(shè)備、車用MIFI設(shè)備、GPS導(dǎo)航儀、WIFI設(shè)備、FM收音機(jī)、433MHz遙控、靠近解鎖等。由于現(xiàn)有開關(guān)電源BUCK電路開關(guān)頻率提高到幾兆赫茲的級(jí)別，如此高的開關(guān)頻率給系統(tǒng)帶來意想不到的擾動(dòng)，尤其是傳導(dǎo)和輻射擾動(dòng)，因此經(jīng)常會(huì)遇到以下幾種現(xiàn)象：嚴(yán)重影響433MHz遙控距離甚至遙控失靈、GPS不能正常導(dǎo)航、FM不能正常搜索臺(tái)、藍(lán)牙WIFI失靈等。對(duì)于這些開關(guān)電源BUCK電路電磁干擾帶來的不必要擾動(dòng)，必須采用相應(yīng)的措施，加強(qiáng)開關(guān)電源BUCK電路EMC整改是設(shè)計(jì)者繞不開課題。

1" BUCK開關(guān)電源電路工作原理

開關(guān)電源BUCK電路原理（電力電子斬波電路）見圖1，MOS Q管輸出波形見圖2。當(dāng)開關(guān)管控制信號(hào)為高電平時(shí)，開關(guān)管MOS Q導(dǎo)通，直流輸入電源V_in向電感L及電容C充電。當(dāng)開關(guān)管控制信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)管MOS Q關(guān)斷，電感作為臨時(shí)電流源，電感L向電容放電，二極管D蓄流。通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷時(shí)間（占空比），就可以改變輸出電壓。具體數(shù)學(xué)表達(dá)式見公式1）：

V_R=V_in×D（1）

式中：V_R——電阻R電壓降；V_in——輸入電壓；D——BUCK電路開關(guān)信號(hào)占空比，Dlt;1。

2" 開關(guān)電源BUCK對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾

2.1" BUCK回路干擾

BUCK架構(gòu)DC/DC轉(zhuǎn)換器中主要的輻射干擾源是交變磁場(chǎng)（低阻），即電流變化引起交變磁場(chǎng)，BUCK架構(gòu)DC/DC轉(zhuǎn)換器中存在2個(gè)電流發(fā)生劇烈變化的回路（主電路回路和電感蓄流回路）^[1]。開關(guān)電源BUCK主電流回路如圖3所示，電流經(jīng)電源V_in→MOS→電感L→濾波電容Cout，回到主電路搭鐵，主電路搭鐵通過電源輸入濾波電容Cin電流回到電源輸入端（紅色箭頭所指部分）。電源主電流回路是EMI主要的干擾源（電流回流面積大，輻射雜波能力強(qiáng)）。輻射電場(chǎng)強(qiáng)度^[2]公式為：

式中：E——電場(chǎng)強(qiáng)度；I——環(huán)路電流；S——環(huán)路面積；f——環(huán)路頻率；R——環(huán)路到被干擾點(diǎn)距離。

蓄流回路構(gòu)成有：電感L起到臨時(shí)電流源作用，斷電后，電感試圖阻礙電流的消失，釋放電能到負(fù)載端，電流從L出發(fā)，經(jīng)Cout到搭鐵，經(jīng)蓄流二極管D電流回到電流L，這部分電流路徑就是電感蓄流回路，即第二干擾源。

2.2" BUCK干擾影響通信頻段

現(xiàn)階段汽車用開關(guān)電源BUCK開關(guān)頻率為100kHz～3MHz，而BUCK干擾為50～450MHz，測(cè)試開關(guān)電源紋波，示波器設(shè)AC擋，帶寬20MHz，可見BUCK干擾不是來自紋波干擾。

MOS管驅(qū)動(dòng)波形包括：上升沿、平頂、下降沿。上升沿、下降沿是MOS管產(chǎn)生EMI干擾的關(guān)鍵。BUCK電路開關(guān)實(shí)際是控制MOS開關(guān)，而BUCK電路波形上升沿就是MOS上升沿，詳見圖4中“1” 處。以表1 NXP PDF6030BL為例，進(jìn)一步闡述如下。

表1中NXP PDF6030BL上升時(shí)間典型值11.4ns，上升沿頻率公式為：

式中：f——上升沿頻率，Hz；T_r——上升沿時(shí)間，s。

上升沿基波頻率87.7MHz，下降沿基波頻率125MHz，而上升沿或下降沿基波頻率引發(fā)的多次諧波，主要指2次、3次、5次和7次諧波，干擾汽車通信頻段就是這些多次諧波，具體的諧波波形示意見圖5。

以上升沿87.7MHz為例，5次諧波干擾遙控鑰匙接收機(jī)。有些公司GPS TRACKER （軌跡跟蹤器安裝離鑰匙接收器比較近，遙控非常不靈敏，主要為BUCK電源干擾導(dǎo)致）用儀器測(cè)量BUCK干擾通信靈敏度情況時(shí)，頻譜儀掃描開關(guān)電源BUCK電路，出現(xiàn)50～450MHz頻率干擾，干擾波主要是基波2倍頻或更高次諧波干擾，一般情況下干擾2G、3G、4G、5G（B8 B5 B12 B13 B17 B20 B28）^[4]低通信頻段接收機(jī)接收靈敏度。BUCK干擾源空中耦合到接收機(jī)天線面上，接收靈敏度下降。這時(shí)GPS TRACKER還有GPS接收，若BUCK電路設(shè)計(jì)不合理（比如BUCK電路電感距離GPS天線過近），GPS接收靈敏度不達(dá)標(biāo)，到接收機(jī)天線端口功率為-130dBm，而正常載噪比C/nogt;40dB（載噪比是載波與載波噪音關(guān)系）。

在衛(wèi)星通信中載噪比定義衛(wèi)星接收功率與低噪比值，GPS接收機(jī)天線端口功率-130dBm，低噪功率-174dBm，得到載噪比理論值公式為：

C/no=-130-（-174）=44dB（4）

實(shí)際工作中，電路會(huì)存在插損，一般情況下，傳導(dǎo)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)載噪比為40dB，天線耦合測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)大于40dB（25×25×4，因GPS陶瓷天線增益是5dBi，整個(gè)通信鏈路損耗少，所以載噪噪比大一點(diǎn)）。由于BUCK電路干擾，載噪比lt;26dB，這種載噪GPS設(shè)備不定位。以安森美FDP6030BL MOS為例，上升沿為BUCK87.7MHz，18倍頻（1578.6MHz）干擾GPS 1574.42MHz接收機(jī)靈敏度，GPS靈敏度下降5～20dB。若更換成安世MOS管PSMN1R9-80SSE，這時(shí)MOS管上升沿時(shí)間為42ns，下降沿時(shí)間為46ns，上升沿、下降沿時(shí)間拉長(zhǎng)，諧波頻率變低，如此就能很好地解決GPS被BUCK電路干擾（解決電源DESENSE問題）。

另外，BUCK電路中寄生電感和寄生電容形成振鈴，也是BUCK電路產(chǎn)生EMI干擾的原因。BUCK電路布線效應(yīng)見圖6，其中，圖6所示的Ci電容高頻電路等效模型^[3]見圖7。寄生電感和寄生電容會(huì)形成振蕩頻率^[4]，振蕩頻率公式為：

式中：F——頻率，Hz；L——布線寄生電感；C——寄生電容。

L=ESL+ESL₁+ESL₂+ESL₃+ESL₄（6）

式中：L——BUCK布線寄生電感；ESL——圖6中電容C的等效電感；ESL₁——電源輸入端到BUCK芯片路徑等效電感；ESL₂——BUCK芯片到濾波電容路徑等效電感；ESL₃——BUCK SW端口到MOS Q₂管布線電感；ESL₄——BUCK SW端口到MOS Q₁管布線電感。

式中：P——能量，W；L——電感，nH；I——電感上電流，A。

由于電路有等效電阻作用，公式（8）振蕩變?yōu)樽枘岵ā?/p>

開關(guān)電源在通信領(lǐng)域一般干擾信號(hào)統(tǒng)計(jì)到5次、7次諧波，這與電力電子電路不同。電力電子應(yīng)用有更高次諧波，比如7次、13次諧波干擾^[5]，用某公司JW5121 BUCK電路應(yīng)用在我司GPS TRACKER產(chǎn)品上，沒發(fā)現(xiàn)EMI問題。JW5121開關(guān)技術(shù)特性見表2。

3" 解決BUCK干擾通信電路方法

1）在電路布板時(shí)BUCK電路部分加屏蔽罩，防止BUCK電路空中耦合，干擾通信電路。

2）布線Cin（圖3）緊鄰BUCK電源輸入端，圖5中電感L與BUCK在電路板同一個(gè)面，緊鄰BUCK輸出端。

3）圖3中BUCK IC SW管腳預(yù)留RC電路，預(yù)留電容皮法級(jí)，預(yù)留電阻歐姆級(jí)。

4）圖3中，自舉電容C預(yù)留一個(gè)電阻，預(yù)留電阻大概幾歐姆，自舉電容和預(yù)留電阻過大，影響電源效率。

5）降低開關(guān)電源BUCK頻率，尤其降低上升沿和下降沿的頻率，能有效降低BUCK EMI干擾。

4" 結(jié)論

通過采取上述5種設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用在汽車軌跡追蹤器項(xiàng)目開關(guān)電源電路上，發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)BUCK電路EMI影響通信電路靈敏度問題，能有較好的工程效果。這些設(shè)計(jì)對(duì)今后同類電路干擾問題具有一定的參考意義。

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（編輯" 凌" 波）

收稿日期：2023-09-08

作者簡(jiǎn)介

佟剛（1971—），男，工程師，研究方向?yàn)橛布O(shè)計(jì)。