表征DC-DC转换器振铃的EMI

开关电源会产生由振铃引起的辐射和传导发射。示波器和频谱分析仪的测量结果让您能够看到它们。

DC-DC 转换器在大多数电子产品中无处不在。虽然它们比线性稳压器效率更高，但它们也会产生大量干扰，从而影响附近的电路。本文中的测量结果显示了开关是如何产生振铃的。

传导 EMI 辐射来自电源输入，通过开关器件的快速转换和开关波形的振铃。来自开关波形的谐波发射已在其他地方充分介绍，但我想在本文中演示的是这种振铃。

开关转换器拓扑

图 1 显示了典型的降压转换器拓扑。开关、二极管和电感的结点通常是一个梯形波形，具有尖锐的上升沿和下降沿。快速的上升和下降时间会产生谐波发射。然而，开关和走线中的电容和电感寄生元件会导致波形上出现振铃。这种振铃会导致辐射达到数百兆赫兹。

图 1.典型的降压转换器电路使用 MOSFET 将输入切换到电感器和电容器。开关动作会产生振铃，从而产生发射。

图 2 以数学方式显示了时域中的振铃如何转换频域中的谐波峰值。

图 2.开关波形上的振铃会导致振铃频率处的发射增加。资料来源：Clayton Paul。

示波器测量显示振铃

我们来看一下使用 GaN 开关器件的 1 MHz DC-DC 转换器的振铃频率。图 3 显示了测试设置。我们将使用 300 MHz Micsig 示波器测量振铃，并使用内置的 FFT 功能显示产生的发射。稍后，我们将 Micsig FFT 与更精确的 Siglent SSA 3032X 频谱分析仪进行比较。

图 3.用于测量振铃和由此产生的发射的测试装置包括示波器、频谱分析仪和电流探头。

产生的振铃频率如图 4 所示。通过添加垂直光标并与相邻峰值对齐，我们可以将振铃频率读出为 “1/Δt”。

图 4.扩展开关波形的前沿，发现在 231 MHz 处具有很强的振铃频率。

要观察频域图，您应该显示几个开关周期（图 5）。打开示波器上的 FFT 并调整位置以获得最佳显示效果。我将显示屏设置为 100 MHz/div 以观察发射峰值。虽然 Micsig 只是一个 8 位示波器，但它显示了相当精确的环形频率 FFT。

图 5.通过调整时基以显示更多的开关周期，您可以最好地观察得到的频域图。

频谱分析仪测量

现在，让我们切换到 Siglent SSA 3032X 频谱分析仪并比较发射结果。我们将使用 Tekbox TBCPP2-750 射频电流探头，该探头夹在电源输入电缆周围，然后夹在输出负载电阻器周围（图 6）。连接到这些点中的任何一个的任何长电缆都可能用作高效天线，并可能导致辐射发射故障。在开关器件上使用 RF 电流探头，而不是示波器探头，应该更接近潜在的辐射发射。

图 6.我使用 Tekbox TBCP2-750 射频电流探头来测量耦合到电源输入电缆的环形发射。

图 7 中的峰值大致对应于我使用示波器测得的发射。500 MHz 峰值是 256 MHz 处基波振铃的二次谐波。因为我们使用完全不同的方法测量振铃频率，所以峰值可能与开关处的示波器探头测得的峰值不匹配。但是，这些结果应该可以很好地说明您可以预期的排放性能。

图 7.使用电源输入电缆（紫色）和功率输出负载（蓝色）上的 RF 电流探头实现辐射峰值。

一旦我们建立了振铃的基线，我们就会开始尝试改进电路板布局或缓冲网络，以减少寄生谐振的影响。

总结

我很惊讶 Micsig 可以像它一样测量这些环诱导的寄生共振。这只是表明具有 FFT 功能的中等价格示波器可以帮助进行 EMC 测量和后续缓解实验。当然，对于更严肃的 EMC 研究，我会将示波器与频谱分析仪结合使用，以实现精确的振铃频率监测。

由于大多数产品都有多个板载 DC-DC 转换器，这组实验还表明了检查电源转换器开关波形上是否有任何大振铃的重要性，这些振铃可以直接转化为辐射发射，有时甚至达到数百 MHz。