電源設(shè)計中EMI的概念以及抑制方法

現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)通常在開關(guān)模式下工作，產(chǎn)生了較大的電磁干擾(EMI)，EMI問題一直是電力電子工程師頭疼的問題，解決EMI問題是一項既困難又耗時的工作，本文將介紹EMI是如何產(chǎn)生、傳播以及如何優(yōu)化解決。

常見縮略語：

● EMC(Electromagnetic Compatibility)：電磁兼容性● EMI(Electromagnetic InteRFerence)：電磁干擾
● EMS(Electromagnetic Susceptibility)：電磁抗擾度
● IEC(International Electrotechnical Commission)：國際電工委員會
● FCC(Federal Communication Commission)：美國聯(lián)邦通信委員會
● CISPR：國際無線電干擾特別委員會
● CE：字母“CE”是法文句子的縮寫，意指歐盟● CCC(China Compulsory CertIFicate)：中國強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證制度，又稱3C認(rèn)證。

　　電磁兼容性(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾能力，電磁兼容(EMC)包含電磁干擾(EMI)和電磁抗擾度(EMS)。其包含的測試項目如圖1所示。

　　 　　圖1 EMC測試項

　　電磁干擾限制可分為兩個基本應(yīng)用范疇：

　　● A類：適用于商業(yè)或工業(yè)裝置環(huán)境，相應(yīng)限制較為輕松。
　　● B類：適用于家用或住宅裝置，相應(yīng)限制較為嚴(yán)格。

　　B類限制約比A類限制低10dB，即發(fā)射振幅之比約為1:3(20×log(3)≈10dB)。市場銷售的產(chǎn)品還需要滿足一些重要的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。在許多國家，電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一用一個區(qū)域認(rèn)證標(biāo)志來表示，如CE標(biāo)志即歐洲認(rèn)證標(biāo)志，CCC標(biāo)志即中國強(qiáng)制認(rèn)證標(biāo)志。該標(biāo)志表示產(chǎn)品符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

　　歷史上普遍接受的國際電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是CISPR-22，美國的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是FCC，CISPR-22與FCC有所不同，但一般來說如果電源符合CISPR-22標(biāo)準(zhǔn)，那么它也符合FCC標(biāo)準(zhǔn)?？傊瓹ISPR-22標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為全世界都遵守的基本標(biāo)準(zhǔn)。汽車上的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是CISPR-25，相對CISPR22來說CISPR-25標(biāo)準(zhǔn)限制值更低并且額外對FM頻段做了很嚴(yán)的限制要求。具體傳導(dǎo)測試限制要求如圖2所示。

　　 　　如圖3所示電磁干擾的輻射測試普遍采用天線接收法測試，相比于CISPR22來說CISPR25額外增加了150KHz ~ 30MHz的輻射測試，這部分測試頻段覆蓋了DCDC的工作頻率范圍，是輻射測試的難點(diǎn)。另外CISPR-25輻射測試采用1M法天線距離更近，測試接收的信號更強(qiáng)。
　　
　　對于設(shè)備來說DCDC開關(guān)電源是最常見的噪聲源，而通常又不易受干擾，所以DCDC的EMC問題主要就是EMI問題。以Buck電源為例，DCDC芯片開關(guān)過程中產(chǎn)生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量，其開關(guān)噪聲不僅包含開關(guān)次和倍頻頻率段的噪聲，另外其開關(guān)速度越低，高頻噪聲分量衰減越大。噪聲分為差模噪聲和共模噪聲，差模噪聲是LN線之間的電位差，共模噪聲是待測零部件的LN線和參考地之間的電位差。DCDC電源EMI主要于電流和電壓跳變，通過共模和差模的形式耦合到接收器上。

　　如圖4所示是Buck開關(guān)電源的噪聲產(chǎn)生和耦合路徑，從傳導(dǎo)路徑來說開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的差模干擾通過輸入電容濾波后會直接傳到輸入端，共模干擾通過開關(guān)節(jié)點(diǎn)對地的耦合再通過LISN端檢測到。從輻射的路徑來看主要是差模的功率電流回路產(chǎn)生的，當(dāng)然共模干擾也會產(chǎn)生部分輻射干擾。因此在設(shè)計電路時減小功率開關(guān)電流回路對傳導(dǎo)輻射干擾有很大的幫助。
　 　　圖4 DCDC噪聲源及耦合路徑

　　既然有了上面對EMI產(chǎn)生的原因分析，我們就可以按照如下幾點(diǎn)對EMI進(jìn)行優(yōu)化：

　　● 輸入端增加EMI濾波器

　　EMI濾波器可以抑制流經(jīng)LISN的差模和共模電流，這在傳導(dǎo)測試中尤其關(guān)鍵，根據(jù)對噪聲的大小的衰減比例可以計算出EMI濾波器的參數(shù)大小。常見的EMI濾波器參數(shù)如圖5所示。
　　 　　圖5 常見EMI濾波器設(shè)計參數(shù)