电磁兼容（EMC）：BUCK变换器基本原理及传导辐射分析设计

1. BUCK电路拓扑及原理

2. Buck拓扑电路电磁场分析

3.总结

开关电源替代线性电源，解决了效率和体积问题，但也带来了新的EMI问题。开关电源也是产品内部的强辐射源之一，基于透过现象看本质，将复杂问题简单化，本文和大家一起聊聊Buck电路拓扑变换器基本原理及传导辐射分析设计。

1. BUCK电路拓扑及原理

Buck 变换器，也称为降压型变换器，它是设计者最常用的开关变换器。Buck变换器的拓扑图如下图所示。在该图中，VD 表示续流二极管， L、C 分别表示滤波电感和电容，S 是功率开关管。

其具体的工作原理：
S功率开关管导通期Ton，Uin给电感L充能至电压Von，电感电流线性上升，同时给电容C充能及负载供电；
S功率开关管关断期Toff，电感L两端电压Voff反向，电感电流线性下降，续流二极管VD导通，电感L给电容C供能提供给负载。
D为占空比，D=Ton/T（T为导通周期，T=Ton+Toff）
输出电压U0与输入电压Uin的关系，忽略二极管的管压降，可联立公式计算：

联立以上公式可计算出：Vo=D*Vin。举例说明：输入Vin为24V，导通占空比D为50%，则Vo为12V。当然这只是理想的拓扑理论计算值，可作为粗略的参考。

2. Buck电路电磁场分析

首先在EMC领域讨论都是时变电磁场，包含时变电场与时变磁场。我们需要做的便是对产品电路关于时变磁场和时变电场的分析设计。时变磁场是由快速变化di/dt回路将产，时变电场则是由快速变化的dv/dt。因此EMC设计需要对电路中的这些“脏线”与“动点”了如指撑，方能做出合理的设计。以下对Buck变换器拓扑这两种情况做详细分析：di/dt快速变化的主回路主要有两个。如下图所示，当电路中的MOSFET器件Q1导通时，电流从电源流出，经Q1和L后进入输出电容和负载，再经地线回流至电源输入端。在此过程中，电流中的交变成分会流过输入电容和输出电容，其电流路径为图中的i1。

当Q1开关管截止以后，电感电流还会继续保持原方向流动，而续流二极管VD将在此时导通，这时的电流经VD、L、输出电容流动并经地线回流至VD，其电流路径为图中的i2。电流i1和i2都是不连续的，这意味着它们在发生切换的时候都存在陡峭的上升沿和下降沿，这些陡峭的上升沿和下降沿有极短的上升和下降时间，因而存在很高的电流变化速度di/dt，其中就必然存在很多高频成分。所在在回路中i1和i2是差模电流，差模电流的发射对应为环形天线。亦即磁场辐射与差模辐射相对应。
辐射电场E=AFI，其中A为环路面积，F为高频信号频率，I为高频信号电流。信号环路面积的A大小与远场的辐射电场E成正比，因此必须限制环路面积大小。
在Buck变换器拓扑中，电流环i1和i2共用了开关节点P、电感L、输出电容、地线到VD这一段路径。如下图示，图中的P点存在电压的快速变化，动点P在回路中有dv/dt变化。因此P点的所有连接线就是电路中的电场模型。电压变化点是产生共模发射的源头，也是电源中共模电流的路径。共模电流产生共模发射，共模发射可等效为单偶极子天线。