BUCK 電路影響接收機(jī)靈敏度原因初探

佟 剛

（深圳瑞車品有限公司，廣東 深圳 518000）

1 概述

汽車車載電池電壓域：12V、24V、36V，信號(hào)的電壓域：1.8V、3.3V比較多，電池電壓轉(zhuǎn)換到信號(hào)電壓域，應(yīng)用BUCK或BUCK-BOOST開關(guān)電源電路。開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)效率高，事情都有其兩面性，開關(guān)電源由于自身的開關(guān)頻率，副作用是干擾。一旦電路設(shè)計(jì)完成，發(fā)現(xiàn)電源BUCK耦合干擾通信部分靈敏度，若前期設(shè)計(jì)沒預(yù)留處理措施，PCBA已回板，結(jié)構(gòu)、硬件就成既定事實(shí)，有EMI干擾（傳導(dǎo)干擾和輻射干擾），只能想方法改善和優(yōu)化，不能完全解決，遇到通過認(rèn)證或靈敏度要求高的地方，只能重新設(shè)計(jì)，時(shí)間和機(jī)會(huì)就流失掉了。盡量做到事前預(yù)防，事后少補(bǔ)救，補(bǔ)救時(shí)也留有預(yù)留，以便硬件不用改版也能處理意想不到的干擾問題，是設(shè)計(jì)人員需要具備的能力。

2 BUCK開關(guān)電源電路工作原理

開關(guān)電源降壓型BUCK工作原理見圖1，外部輸入的電源V1（汽車備用電池電壓）：12V（小汽車14V）、24V（輕型載重車28V）、36V（重型卡車42V），經(jīng)S1開關(guān)（一般用低壓降的MOS管，內(nèi)阻幾十毫歐），S1開關(guān)受V2的控制，V2內(nèi)部頻率大概范圍200kHz～3MHz，V2觸發(fā)是受輸出電壓和內(nèi)部基準(zhǔn)電源控制（輸出電壓與基準(zhǔn)電壓源比較產(chǎn)生控制電壓波形，具體電壓波形見圖2）。

圖1 BUCK工作原理圖

圖2 電壓波形圖

V1的輸入電壓S1開關(guān)閉合，電能饋入電感，電感儲(chǔ)能器件，電壓不能突變，具體電壓變化見公式（1），電感先儲(chǔ)能（圖3），再通過電感將電能加到負(fù)載（電阻R1）。電容C1是儲(chǔ)能器件，流過電容的能量不會(huì)突變，電流變化見公式（2），經(jīng)電感來的微變矩形波具體見圖4。

圖3 電感先儲(chǔ)能

圖4 經(jīng)電感來的微變矩形波

式中：V——電感的電壓，V；L——電感量，H；i——電感電流，A；t——時(shí)間，s。

式中：I——電流，A；C——電容容量，F(xiàn)；V——電壓，V；T——時(shí)間，s。

開關(guān)S1斷開，負(fù)載能量就由儲(chǔ)能器件L1提供續(xù)流，二極管D1是電流回流路徑，電流經(jīng)二極管回到電感，電感電流變化見圖5。

圖5 電感電流變化圖

3 開關(guān)電源BUCK產(chǎn)生EMI原因

3.1 BUCK構(gòu)成電環(huán)路干擾

圖6為開關(guān)電源BUCK電路組成的回路，Q1導(dǎo)通，電源Vin通過Q1到電感L1送到負(fù)載，然后回到電源負(fù)端紅色部分組成主回路，通過電感放電經(jīng)負(fù)載和Q2組成副回路，見藍(lán)色區(qū)域。這部分電路包含區(qū)域，有電小環(huán)天線效應(yīng)，有對外輻射無線信號(hào)的能力。

圖6 開關(guān)電源BUCK組成低阻抗環(huán)路圖

BUCK組成低阻抗環(huán)路（天線自由空間阻抗377Ω，而BUCK電路阻抗遠(yuǎn)小于該值），通常討論的干擾交變磁場干擾、電場干擾是磁干擾，BUCK電路電場或磁場干擾都是近場干擾，當(dāng)信號(hào)離開這個(gè)環(huán)路0.16λ后，磁場干擾變成電磁場干擾，電場干擾是主要干擾，電場干擾見公式（3）：

式中：E——電場強(qiáng)度，V/m；I——電流強(qiáng)度，A；R——被干擾設(shè)備到開關(guān)電源距離，m；A——BUCK電路圍城的面積，m；λ——BUCK電路干擾信號(hào)波長，m；θ——被干擾設(shè)備與電源夾角，（°）。BUCK電路構(gòu)成電環(huán)路干擾頻率50～300MHz。

3.2 器件寄生產(chǎn)生過沖或下沖產(chǎn)生的干擾

圖7 欠阻尼波形

圖8 諧波

3.3 BUCK電路諧波干擾

BUCK電路主要干擾頻率范圍50～400MHz，而現(xiàn)階段通信頻段從400～3800MHz，不是BUCK電路直接干擾而是BUCK干擾信號(hào)諧波干擾。以300～400MHz BUCK電路干擾為例，其正弦波、余弦波信號(hào)見泰勒級數(shù)展開式公式（4）～（5）。

從公式（4）～（5）sinx、cosx展開式可以得到結(jié)論，奇數(shù)諧波2次、3次、5次諧波可以作為我們關(guān)注的主要干擾（偶次諧波發(fā)生在BUCK電路走線不均衡，高頻高次諧波沒偶次諧波），其它高次諧波振幅太小，功率低干擾可以忽略不計(jì)。比如320MHz 3次諧波，假設(shè)干擾功率0.003W，干擾功率0.0000045W（-54dBm），而通信接收機(jī)比如GSM 900接收靈敏度大都要求＜-100dBm，穩(wěn)定通信情況下，-70～80dBm，通信電路受到BUCK電路同頻干擾，靈敏度下降到不能正常通信。

4 BUCK電路干擾通信靈敏度解決方法

1）BUCK電路自己構(gòu)成電路環(huán)干擾通信電路解決方法，輸入、輸出電路緊湊布局，形成電小環(huán)區(qū)域盡量小，這樣輻射出去電場強(qiáng)度變小。見公式（3），A取值變小，電場強(qiáng)度E變小。

2）器件寄生產(chǎn)生干擾，解決方法在相應(yīng)電路加電阻、電容器件，改進(jìn)后的電路見圖9。

圖9中R26、C1、R67、C49就是為了去除電路欠阻尼振鈴。R67取值見公式（7）。

圖9 改進(jìn)后的電路圖

式中：R——電阻，Ω；§——抑制因子，0.5～1；L——電感量。由公式（7）確定：

式中：C——振鈴信號(hào)頻率相應(yīng)濾波電容，一般取電容容值1/3；F——振鈴信號(hào)頻率。特別注意R和C取值不能過大，否則影響B(tài)UCK電路的效率，R?。?0Ω，一般取2.2Ω。C取小于510pF，一般取100pF。

3）BUCK電路加屏蔽罩。BUCK電路作為干擾源，在電路上加屏蔽罩，去掉干擾，通信接收機(jī)靈敏度就正常了。

4）干擾GPS信號(hào)。BUCK電路干擾GPS接收機(jī)（弱信號(hào)，追蹤靈敏度-148dBm，在軌靈敏度-165dBm），主要原因是BUCK電路過沖或下沖信號(hào)300～400MHz，5次諧波干擾GPS 1575MHz信號(hào)影響接收靈敏度（L1頻段）。解決方法：仔細(xì)調(diào)整圖9中R26、C1、R67、C49，使欠阻尼振鈴信號(hào)幅度下降，同時(shí)振蕩頻率下降，現(xiàn)在還有GPS 1176MHz（L5 頻段），若受到干擾，需要從BUCK電路環(huán)路和過沖兩種方法中找答案。

5）BUCK 電路反向干擾電源。BUCK電路EMI污染電源，整體電路都有EMI問題，在BUCK 電路輸入加“L”型電路，濾除反灌EMI。

5 結(jié)論

BUCK電路在車載設(shè)備應(yīng)用比較廣泛，新能源車大面積推廣，自動(dòng)駕駛浪潮，車載電子帶有通信系統(tǒng)比較常見，系統(tǒng)間EMI問題越發(fā)嚴(yán)峻。設(shè)計(jì)人員最好在設(shè)計(jì)開始做好預(yù)留，使問題一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就能解決，設(shè)計(jì)更加平順。