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系統識別號 U0002-0207201812563500
中文論文名稱 交換式直流電壓轉換器的寬頻EMI干擾
英文論文名稱 Broadband EMI Noise in Switching DC-DC Regulator
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士在職專班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 林致仰
研究生英文姓名 Chih-Yang Lin
學號 704440048
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-06-05
論文頁數 58頁
口試委員 指導教授-李揚漢
委員-吳紹懋
委員-施鴻源
中文關鍵字 交換式電壓轉換器  電磁干擾  寬頻雜訊 
英文關鍵字 Switching regulator  Buck  EMI  Broadband noise 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 降壓型電壓轉換器(Buck regulator)工作的時候,有一部分的能量
會成為電磁波輻射出去,造成系統上的電磁干擾。Buck 所生成的寬頻
電磁干擾,主要是來自high-side MOSFET 和low-side MOSFET 切換時
產生的雜訊,經由輸入電源傳遞出去。
要解決由Buck 輸入電源帶出的雜訊,最簡單的方式就是使用濾波元
件,可以有很好的效果。由於現代的整合型IC 相當進步,在switching
node 上並無明顯的振鈴(ringing),故傳統上各種解決switching node
ringing 的對策,在現代IC 上已經效用不大,但這並不意味電源輸入不
會受high-side MOSFET 切換及low-side MOSFET 切換的影響,電源雜
訊會與switching node 電壓上升及下降的斜率有關。在考慮預留對策
時,可直接選用濾波型的對策作預留,以節省元件空間並得到最大效果。
由我們實驗的結果,可以發現電源線會帶出很大的電磁幅射雜訊,
而我們在Buck 的輸入電壓端加上濾波元件後,系統電磁干擾有顯著的
降低。
英文摘要 When buck regulator works, there is some energy leaks as EMI. The broadband EMI
noise mainly is caused by high-side MOSFET toggling and low-side MOSFET toggling.
Noise is carried via input power line.
The simplest way to solve power line noise which is generated by buck circuit is an
input filter. Due to highly integration in modem IC, the ringing of switching node is
almost gone. Traditional solutions to improve switching node ringing becomes less
effective now. However, it doesn’t' mean that input power won't be effected by high-side
MOSFET toggling and low-side MOSFET toggling. Actually, input power noise is related
to switching node voltage rising and falling time. If you have limited space for Buck EMI
solution, please consider input filter as an optimization of effectivity and space.
Per our experiment, we find out that the power line can carry noise and radiate large
EMI. After we placing filter on buck’s input, the system’s EMI reduces significantly.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
ABSTRACTIII
目錄IV
圖目錄 VII
表目錄XI
第一章緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的 1
1.3文獻回顧 2
1.4章節介紹 7
第二章研究背景 9
2.1BUCK直流轉換器簡介 9
2.1.1 Buck轉換器工作原理簡介[6] 10
2.2EMI測試簡介 12
2.2.1 EMI測試環境[7] 12
第三章研究方法 14
3.1系統架構 14
3.1.1 自製開發板介紹 14
3.1.2 TPS54339功能介紹[6] 15
3.2系統架設與量測 17
3.2.1 在3米電波暗室量測 17
3.2.2 近場輻射量測 20
3.2.3 板端訊號量測 20
第四章研究結果與比較 22
4.1實驗流程 22
4.2實驗結果 22
4.2.1 預設狀態下開發板的量測與探討 22
4.2.1.1 開發板在3米電波暗室量測 22
4.2.1.2 開發板板端訊號量測 25
4.2.1.3 開發板近場輻射量測 27
4.2.2 不同對策的近場輻射量測與分析 29
4.2.2.1 加入耦合電容 29
4.2.2.2 加入電感濾波 34
4.2.2.3 使用磁珠(bead)濾波 39
4.2.2.4 RC snubber 42
4.2.2.5 選擇最終對策 44
4.2.3 不同負載對幅射雜訊的影響 48
4.2.3.1 動態負載設定與量測 48
4.2.3.2 動態負載下的最終對策測試 52
4.3實驗結論 53
第五章結論與未來展望 55
5.1結論 55
5.2未來展望55
參考文獻 57


圖目錄
圖 1.1 本文開發版加入EMI對策前後比較 2
圖1.2 Switching node電壓切換時的rininging back波形[3] 3
圖1.3 switching loop中的寄生電感與電容[3] 4
圖1.4 將耦合電容搬離MOSFET距5mm的結果[1] 5
圖1.5 RC snubber在電路中的位置 6
圖1.6 在輸入電源上與phase電壓同步的noise[1] 6
圖1.7 電源輸入端加上PI型濾波器的結果[1] 7
圖2.1 (a)非同步直流降壓轉換器(b)同步直流降壓轉換器 10
圖2.2本文所使用BUCK IC TPS54339效率圖 10
圖2.3降壓式直流電壓轉換器波形(a)switching node電壓(b)電感器電壓(c)電感器電流(d)輸出電容器電流 11
圖2.4 EMI半電波實驗室(3米) 13
圖3.1開發版的BUCK電路圖 14
圖3.2第一層走線(左圖)與第四層走線(右圖) 15
圖3.3 開發板全圖,紅色框框範圍為本次BUCK驗證的電路 15
圖3.4 TPS54339內部功能方塊圖 16
圖3.5在電波暗室內的開發板架設 18
圖3.6 單獨風扇測試(a)垂直天線結果(b)水平天線結果 19
圖3.7 近場輻射量測 20
圖3.8 板端訊號量測 21
圖4.1 電源線水平擺放時(a)垂直天線結果(b)水平天線結果 23
圖 4.2電源線垂直擺放時(a)垂直天線結果(b)水平天線結果 24
圖4.3 開發板預設條件下的switching node波型與輸入電源波形(CH1: VIN, CH3: VSW) 25
圖4.4 (a)switching node由H到L變化(b)switching node由L到H變化(CH1: VIN電壓, CH3: VSW電壓, M1: VIN電壓的FFT) 27
圖4.5 近磁場天線作環境空白實驗 28
圖4.6開發板預設值狀態下,電源線的近磁場輻射量測結果 28
圖4.7 真實電容等效電路 29
圖4.8 Murata GRM系列電容的阻抗與頻率關係 29
圖4.9 BUCK IC的輸入電源腳位(pin2 加上耦合電容) 30
圖4.10 加入耦合電容後的波形比較(CH1:加入對策後VIN, R1:原始VIN, CH3:加入對策後VSW, R2:原始VSW) 31
圖4.11 加入0.1uF後電源線近場輻射比較(Trace 3:原始值, Trace 2: 加入對策後) 32
圖4.12不同電容對近場輻射值的比較(Trace 3: 預設值, Trace 2: 0.01uF, Trace 1: 0.1uF) 33
圖4.13不同電容對近場輻射值的比較(Trace 3: 0.01uF, Trace 2: 0.1uF, Trace 1: 1uF) 33
圖4.14 非理想電感模型 34
圖4.15 TDK MLZ2012DR10D 特性圖 35
圖4.16 開發板單獨加入inductor後的波形比較(CH1:加入對策後VIN, R1:原始VIN, CH3:加入對策後VSW, R2:原始VSW) 36
圖 4.17 開發版單獨使用inductor的近場輻射比較(trace 3:原始值,trace 1: 加入對策後) 37
圖4.18 不同電感值的對雜訊抑制效果比較(trace3: 預設值, trace 2: 2.2nH, trace 3:0.1uH) 38
圖4.19 2.2nH電感特性圖(Murata LQW15系列) 38
圖4.20 本論文所選用磁珠的特性(承翰科技MCK2012121YZF) 39
圖4.21 開發板加入磁珠後的波形(CH1:加入對策後VIN, R1:原始VIN, CH3:加入對策後VSW, R2:原始VSW) 40
圖4.22 開發板加入磁珠後近場輻射值比較(trace 3:原始值,trace 2: 加入對策後) 41
圖4.23 開發板使用RC snubber的波形(CH1:加入對策後VIN, R1:原始VIN, CH3:加入對策後VSW, R2:原始VSW) 42
圖4.24 加入RC snubber後VSW ringing的頻率量測(CH1: VIN, CH3: VSW) 43
圖4.25 加入RC snubber後的電源線近磁場量測結果 44
圖4.26 (a)開發板預設狀態(b)開發板加入最終對策 45
圖4.27 加入最終對策的近磁場輻射值比較(trace 3:原始值,trace 1 最終對策) 46
圖4.28最終solution測試結果(a)垂直天線(b)水平天線 47
圖4.29 動態負載設定 48
圖4.30 接上動態負載的波形(CH1: VSW, CH2: VIN, CH4: 輸出電流) 49
圖4.31 當動態負載為重載時(CH1: VSW, CH2: VIN, CH4: 輸出電流) 50
X
圖 4.32當動態負載為輕載時(CH1: VSW, CH2: VIN, CH4: 輸出電流) 50
圖4.33 不同負載下電源線的近場輻射量測(Trace 3: 2A load, Trace 2: 0.2-2A load, 25us-25us) 51
圖4.34 不同負載下,最終對策的效果比較(Trace 3: 2A load, Trace 2:0.2-2A load, 25us-25us) 52
圖5.1通用型的二階轉移函數 56


表目錄
表 1-1 Buck電路電磁雜訊分類 2
表3-1 TPS54339腳位功能說明 17
表4-1 不同電容在特定頻率的阻抗比較 30
表4-2 VSW斜率與VIN的關係 49
表4-3 各種對策的比較 53
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