降低開關(guān)電源各種形式EMI的最佳方法

開關(guān)電源EMI(電磁干擾)不通過可能會(huì)帶來以下幾個(gè)壞處：

1. 電子設(shè)備受到干擾：開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪音和諧波可能會(huì)對(duì)周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。這些干擾信號(hào)可能導(dǎo)致其他設(shè)備的故障、降低性能或產(chǎn)生電磁兼容性問題。

2. 增加電磁輻射：開關(guān)電源在正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻輻射，如果沒有通過EMI測(cè)試，可能會(huì)超出國家和地區(qū)的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)限制。這種輻射可能會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在風(fēng)險(xiǎn)，特別是長(zhǎng)期接觸高強(qiáng)度輻射可能導(dǎo)致身體不適或健康問題。

3. 影響通信和無線設(shè)備：開關(guān)電源未經(jīng)EMI測(cè)試可能會(huì)干擾通信信號(hào)和無線設(shè)備。這些干擾信號(hào)可能對(duì)無線電頻段的正常通信產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤或通信中斷。

4. 不符合法規(guī)要求：一些國家和地區(qū)有嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，要求電子設(shè)備必須通過EMI測(cè)試以確保其不會(huì)對(duì)其他設(shè)備或人體健康造成干擾。開關(guān)電源未經(jīng)過EMI測(cè)試無法符合這些法規(guī)要求，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品無法上市銷售或面臨法律責(zé)任。

EMI是評(píng)估電力電子開關(guān)電源性能上的一種關(guān)鍵參數(shù)，它可以通過多種方式加以降低，添加一個(gè)EMI過濾器似乎是最明顯的選擇，但可能還有更好的方法。今天EMC小哥帶您了解更多降低EMI方法

l傳導(dǎo)和輻射電磁干擾的降低方法。

l調(diào)整開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的頻率，以降低EMI.

l應(yīng)用EMI過濾器

現(xiàn)代電子電力系統(tǒng)架構(gòu)正變得越來越密集，并存在大量的互通互聯(lián)關(guān)系，降低此類系統(tǒng)中的EMI變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

EMI的主要問題來源之一是開關(guān)電源(SMPS)。SMPS可以放在系統(tǒng)設(shè)計(jì)或印刷電路板 (PCB) 的外部，也可以是 PCB 上設(shè)計(jì)的一部分。

無論哪種方式，都必須降低EMI干擾，以便通過標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試以及不會(huì)造成周圍的電路錯(cuò)誤操作。

本文上海雷卯EMC小哥將為電路設(shè)計(jì)人員提供一些在設(shè)計(jì)中控制EMI的最佳方法。

THE SMPS

由于SMPS的效率比線性穩(wěn)壓器效率顯著提高，已成為許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵組件。功率硅MOSFET或GaN功率器件的開關(guān)導(dǎo)致不連續(xù)電流，是影響可靠系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素(圖1)。下面接著將概述一些降低各種形式 EMI 的最佳方法。

本原理圖顯示了SMPS中的EMI源。

傳導(dǎo)EMI降低方法

傳導(dǎo)噪聲比輻射噪聲更容易分析;設(shè)計(jì)人員可以采用標(biāo)準(zhǔn)的電路分析方法。但是，EMI分析中的許多組件都是寄生的，不會(huì)出現(xiàn)在原理圖上。

當(dāng)電源開關(guān)設(shè)備打開和關(guān)閉時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生較大的不連續(xù)電流。這些電流將出現(xiàn)在降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端、升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端以及反激式和降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的輸入和輸出端。

不連續(xù)電流會(huì)產(chǎn)生電壓紋波，這些紋波可能通過導(dǎo)體相互接觸傳導(dǎo)到系統(tǒng)架構(gòu)的其他部分。轉(zhuǎn)換器輸入端的此類電流應(yīng)通過?輸入濾波器進(jìn)行濾波，以減輕電壓干擾。功率轉(zhuǎn)換器的輸出也可能需要濾波器來幫助通過EMI標(biāo)準(zhǔn)?。

共模噪聲通常更難分析，因?yàn)樗ǔＪ怯杉纳?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容的充電/放電引起的，寄生電容在散熱器或變壓器繞組間電容最高。

輻射EMI降低方法

輻射噪聲可以通過兩種方式進(jìn)行評(píng)估：

l用幾米外的天線測(cè)量的電磁噪聲。

l用靠近磁性元件的“嗅探器探頭”測(cè)量的磁噪聲。

電磁場(chǎng)的起因通常是電路中包含高頻諧波的電流，這些諧波在回路中流動(dòng)。減小環(huán)路面積、di/dt或電流峰值幅度將有助于降低輻射噪聲。

開關(guān)調(diào)壓器中的抖動(dòng)

通過使用擴(kuò)頻調(diào)頻(SSFM)技術(shù)，對(duì)開關(guān)調(diào)壓器開關(guān)頻率進(jìn)行抖動(dòng)，將降低EMI，并幫助設(shè)計(jì)人員當(dāng)在濾波和優(yōu)化布局無法滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)限制時(shí)通過一致性測(cè)試。

抖動(dòng)略微調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓器中的基波開關(guān)頻率。下面是它的工作原理。 開關(guān)電源的電磁輻射通過方波脈沖分布在許多頻率上，其中最大的能量在基頻處。

稍微改變基頻(使用3%左右的典型調(diào)制)將調(diào)制峰值開關(guān)噪聲能量，該能量將在多個(gè)基頻之間共享?？傠姶拍芰繉⒈３植蛔?，但窄帶能量已降低，因此EMI有效降低。

在圖1所示的示例中，5 dB峰值降噪可以在獲得標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)的情況下快速上市，還是將噪聲峰值降低到標(biāo)準(zhǔn)限值以下(圖2)。

2. 此圖顯示了在 330 kHz 附近有和沒有抖動(dòng)的準(zhǔn)峰值測(cè)量值，顯示抖動(dòng)導(dǎo)致 5 dB 降低。

使用封裝和引腳排列來降低 EMI

許多設(shè)計(jì)人員可能沒有考慮到，選擇有助于降低EMI的IC封裝類型的好處。一個(gè)很好的例子是在SMPS中封裝功率MOSFET。

這些類型的電源轉(zhuǎn)換器使用快速開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換速率 (dv/dt) 以及高電流速率 (di/dt)，這將增加系統(tǒng)中的 EMI。

設(shè)計(jì)人員可以添加EMI濾波器作為解決方案。但是，在這樣做并增加設(shè)計(jì)尺寸(從而降低功率密度)之前，請(qǐng)先了解也有助于降低EMI的封裝技術(shù)。

以下是如何利用功率MOSFET封裝設(shè)計(jì)改善EMI的一些示例。 排列電源引腳和GND引腳相鄰，這樣可以平行放置濾波電容，盡可能的減小環(huán)路，改進(jìn)高頻EMI。

此外，兩個(gè)相等和并聯(lián)電感的等效寄生環(huán)路電感減半。

因此設(shè)計(jì)時(shí)的優(yōu)化布置引腳位置可以降低高頻EMI. QFN封裝中的鍵合線有時(shí)可以通過使用銅柱和引線框架與芯片之間的倒裝芯片互連來消除(圖3)。

3. 這種典型的 QFN 封裝使用鍵合線將芯片連接到裸露焊盤，電源開關(guān)在該焊盤中表現(xiàn)出明顯的振鈴 (a)。

改進(jìn)的封裝采用銅柱和從芯片到引線框架的倒裝芯片互連，從而消除了電源開關(guān)中的振鈴 (b)。

循環(huán)輸入電流將產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，導(dǎo)致H場(chǎng)抵消并減少輻射發(fā)射。

因此，通過創(chuàng)建高di/dt輸入環(huán)路的對(duì)稱布局，產(chǎn)生的(相反方向的)磁場(chǎng)可以相互抵消。

降低封裝EMI的另一種方法是在另一個(gè)PCB層(如頂層電源電路正下方的第2層)的兩個(gè)電感環(huán)路下方放置一個(gè)連續(xù)接地層，用于返回電流。

電磁干擾濾波器

EMI濾波器可以是分立式的，也可以是模塊化的。電源設(shè)計(jì)人員將不得不在時(shí)間、尺寸和成本方面選擇最有利于其設(shè)計(jì)需求的電源。

高功率密度電源架構(gòu)中的EMI濾波器

在高功率密度電源中，最大限度地減小EMI濾波器的尺寸至關(guān)重要。沒有磁性元件的濾波器設(shè)計(jì)更緊湊，從而達(dá)到良好的功率密度。

例如，圖4中的濾波器設(shè)計(jì)使用電壓檢測(cè)和無磁性元件的電流注入拓?fù)洹?br />
為了增強(qiáng)濾波器的輸出電流和功率以及改善插入損耗(IL)，在放大器輸出后面使用推挽式功率放大器電路，以使輸出電流足夠大。

這種濾波器設(shè)計(jì)足夠穩(wěn)定，可以取代無源EMI濾波器。

4. 這種高性能濾波器設(shè)計(jì)，沒有磁性元件，可以支持60 A量級(jí)的高輸出電流。

屏蔽EMI濾波器是控制傳導(dǎo)EMI的最后努力 差模(DM)EMI濾波器(圖5)可能會(huì)在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI干擾。

圖為π型EMI濾波器

5.在DM濾波器下方放置銅屏蔽可能會(huì)有所幫助(圖6a)。當(dāng)所有其他方法都失敗時(shí)，在PCB的頂部和底部添加銅層，并在濾波器的兩側(cè)添加兩個(gè)垂直銅屏蔽(圖6b)。

6. DM EMI濾波器有兩種不同的配置：在(a)中，濾波器位于單銅層PCB的頂部，每個(gè)濾波器元件之間的距離為3.5毫米。在(b)中，濾波器位于雙銅層(頂部和底部)PCB和兩個(gè)垂直銅屏蔽層上，每個(gè)濾波器組件之間有3.5 mm。

總結(jié)

設(shè)計(jì)人員需要了解以及工具，以最大程度地減少電路板設(shè)計(jì)之間的傳導(dǎo)和輻射EMI干擾。

本文***上海雷卯EMC小哥***重點(diǎn)介紹SMPS，它比線性電源大大提高了效率，但為了最大限度地降低EMI干擾，也可能需要非常耗時(shí)。

本文介紹的技術(shù)和工具提供了改進(jìn)SMPS設(shè)計(jì)的方法，以幫助設(shè)備通過EMI標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，同時(shí)最大限度地縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。?






審核編輯：劉清