系統(tǒng)工程師擔(dān)心在產(chǎn)品開發(fā)周期結(jié)束時無法通過電磁干擾 (EMI) 一致性測試的前景。如果發(fā)生這種情況,可能會導(dǎo)致產(chǎn)品運輸計劃受到重大挫折,還可能引發(fā)昂貴的總功率重新設(shè)計。本應(yīng)用筆記探討了如何使用精心規(guī)劃的電源解決方案設(shè)計,利用適當(dāng)?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器、低EMI元件、低EMI功率穩(wěn)壓器IC和/或低EMI功率模塊,以及良好的PCB布局和屏蔽技術(shù),實現(xiàn)一次通過EMI的成功。
了解 EMI 噪聲
當(dāng)電子設(shè)備連接到另一個產(chǎn)生電磁干擾 (EMI) 的電子設(shè)備、與另一個電子設(shè)備共享同一電源或靠近另一個電子設(shè)備時,EMI 可能會中斷設(shè)備的運行。EMI是傳導(dǎo)或輻射的,與EMI相關(guān)的問題會阻止相鄰的電子設(shè)備彼此并排工作。
EMI有許多常見的例子:
發(fā)射器會妨礙當(dāng)?shù)仉娨暸_顯示圖片,導(dǎo)致整個畫面消失或畫面圖案化
手機(jī)與通信塔握手以處理呼叫可能會導(dǎo)致干擾,這就是為什么客機(jī)要求乘客在飛行期間關(guān)閉手機(jī)的原因
低空飛行的飛機(jī)會干擾收音機(jī)或電視上的音頻/視頻信號
鑒于電子設(shè)備在我們生活中的普及,電磁兼容性(EMC)問題已成為一個重要的話題。因此,出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu),以確保電子設(shè)備的正常運行,即使有EMI,就可以在幾乎任何電子設(shè)備附近操作手機(jī)和其他無線設(shè)備,而幾乎沒有影響。設(shè)計人員已采取措施確保設(shè)備不會輻射不必要的輻射,并使設(shè)備不易受到射頻輻射的影響。
根據(jù) EMI 規(guī)范進(jìn)行設(shè)計
CISPR 22 EMI 規(guī)范(在歐洲通常稱為 EN55022)將設(shè)備、設(shè)備和裝置分為兩類:
B類:打算在家庭環(huán)境中使用并符合CISPR 22 B類排放要求的設(shè)備,裝置和裝置。
A 類:不符合 CISPR 22 B 類排放要求但符合不太嚴(yán)格的 CISPR 22 A 類排放要求的設(shè)備、裝置和裝置。A 類設(shè)備必須具有以下警告:“這是 A 類產(chǎn)品。在家庭環(huán)境中,本產(chǎn)品可能會造成無線電干擾,在這種情況下,可能需要用戶采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>
表 1、表 2、表 3 和表 4 顯示了 CISPR 22 規(guī)范。
EMI測試包括傳導(dǎo)和輻射發(fā)射測試。傳導(dǎo)發(fā)射測試在150kHz至30MHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行,這是交流電流傳導(dǎo)到線路源的地方,并使用兩種方法進(jìn)行測量:準(zhǔn)峰值和平均值。每種方法都有自己的限制。
輻射發(fā)射測試在30MHz至1GHz的較高射頻范圍內(nèi)進(jìn)行。此范圍是被測設(shè)備 (DUT) 的輻射磁場。1GHz的測試上限適用于內(nèi)部振蕩器頻率高達(dá)108MHz的DUT。表5列出了擴(kuò)展的上限范圍,這些范圍取決于最大內(nèi)部振蕩器頻率。
表 1.CISPR 22 B 類傳導(dǎo)電磁干擾規(guī)范
頻率范圍 兆赫 限 值分貝 (μV) 準(zhǔn)峰值 平均 0.15 到 0.50 66 到 56 56 到 46 0.50 到 5 56 46 5 到 30 60 50 |
表 2.CISPR 22 A 類傳導(dǎo) EMI 規(guī)范
頻率范圍 兆赫 限 值分貝 (μV) 準(zhǔn)峰值 平均 0.15 到 0.50 79 66 0.5 到 30 73 60 |
表 3.CISPR 22 B 類輻射 EMI 規(guī)范
頻率范圍兆赫 | 準(zhǔn)峰值限值 dB (μV/m) |
---|---|
30 到 230 | 30 |
230 到 1,000 | 37 |
表 4.CISPR 22 A 類輻射電磁干擾
頻率范圍兆赫 | 準(zhǔn)峰值限值 dB (μV/m) |
---|---|
30 到 230 | 40 |
230 到 1,000 | 47 |
表 5.具有 DUT 內(nèi)部振蕩器頻率的擴(kuò)展測試上限范圍
測試上限范圍 | DUT 最大內(nèi)部振蕩器頻率 |
---|---|
1千兆赫 | 108兆赫 |
2千兆赫 | 500兆赫 |
5千兆赫 | 1千兆赫 |
6千兆赫 | 高于 1GHz |
開關(guān)電源:噪聲源在哪里?
開關(guān)電源會產(chǎn)生電磁能量和噪聲,并受到外部侵略者電磁噪聲的影響。開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲可以是傳導(dǎo)或輻射發(fā)射的形式。傳導(dǎo)發(fā)射可以采用電壓或電流的形式,每種形式都可以分為共模或差模。此外,連接線的有限阻抗使電壓傳導(dǎo)能夠引起電流傳導(dǎo),反之亦然,差模傳導(dǎo)會導(dǎo)致共模傳導(dǎo),反之亦然。
為了更詳細(xì)地了解開關(guān)電源中的噪聲源,圖1給出了簡化的降壓穩(wěn)壓器原理圖。
圖1.簡化的降壓穩(wěn)壓器原理圖。
傳導(dǎo)電磁干擾
如圖1所示,輸入電流(I我) 是脈沖波形,它是傳導(dǎo)、差分 EMI 注入電源的主要來源 (VS).傳導(dǎo)輻射主要由轉(zhuǎn)換器輸入端快速變化的電流形狀(di/dt)驅(qū)動。傳導(dǎo)輻射值以轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓(VS) 使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN)。輸入電容(C我) 濾除交流(脈沖)分量。凈電流(IS) 是 I 之間的差值我和我詞.我S必須是直流或盡可能平滑。如果 C我是具有無限電容的理想電容器,它將保持V我恒定且有效地過濾掉I 的所有交流組件1,留下恒定 (DC) 電流從源極 V 流出S以及源阻抗兩端的恒定直流壓降(RS).在這種情況下,傳導(dǎo)EMI為零,因為IS是直流電流。實際上,在輸入源和轉(zhuǎn)換器之間使用π濾波器,以將傳導(dǎo)EMI控制在監(jiān)管限值內(nèi)。
與便攜式系統(tǒng)相比,傳導(dǎo)發(fā)射通常會給固定系統(tǒng)帶來更大的問題。由于便攜式設(shè)備使用電池供電,因此負(fù)載和電源沒有用于傳導(dǎo)發(fā)射的外部連接。
輻射電磁干擾
輻射EMI是快速變化的磁場,其高頻含量為30MHz及以上。磁場由電路的電流環(huán)路產(chǎn)生。這些磁場的變化,如果沒有適當(dāng)?shù)臑V波或屏蔽,可能會耦合到附近的其他電路和/或設(shè)備中,并導(dǎo)致輻射EMI效應(yīng)。
圖2.簡化的降壓穩(wěn)壓器原理圖及其快速di/dt電流環(huán)路。
圖2所示為具有快速di/dt電流環(huán)路I的降壓轉(zhuǎn)換器1和我2.電流回路I1在 S 的導(dǎo)通時間進(jìn)行1打開且 S2已關(guān)閉。電流回路I2在休息時間進(jìn)行,當(dāng) S1關(guān)閉且 S2已打開。電流環(huán)路的脈動性質(zhì) I1和我2引起磁場的變化,其磁場強度與電流大小和傳導(dǎo)回路面積的變化成正比。快速di/dt電流邊沿在調(diào)節(jié)輻射范圍內(nèi)產(chǎn)生高頻諧波和EMI。保持這些電流環(huán)路的面積小可以最大限度地降低場強。減慢這些邊沿會降低開關(guān)穩(wěn)壓器的高頻諧波含量,但由于能量浪費,緩慢的轉(zhuǎn)換會影響穩(wěn)壓器的效率。本應(yīng)用筆記介紹了在不影響效率的情況下將EMI輻射降至最低的技術(shù)。
圖3.電流環(huán)路產(chǎn)生的磁場。
電壓節(jié)點LX(也被一些供應(yīng)商稱為SW等其他名稱)是連接到電感器的矩形波(暫時忽略寄生振鈴)。Fast LX的dv/dt電壓不連續(xù)邊沿通過輸出電感的寄生電容將高頻電流耦合到CO和負(fù)載,進(jìn)而產(chǎn)生EMI噪聲。最小化輸出電感的寄生電容可以減少這種噪聲耦合問題。LX還具有高頻寄生振鈴,可以通過使用從LX到GND的RC緩沖器網(wǎng)絡(luò)來減少。
上述EMI噪聲源的相同原理也適用于其他開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。但是,噪聲的?yán)重性取決于特定拓?fù)涞碾娏骱碗妷翰ㄐ?。考慮在連續(xù)導(dǎo)通模式下運行的升壓轉(zhuǎn)換器。在這種情況下,轉(zhuǎn)換器的輸入端具有較少的傳導(dǎo)EMI分量,因為與降壓轉(zhuǎn)換器相比,輸入電流更連續(xù)。
在設(shè)計過程中預(yù)先設(shè)計和規(guī)劃EMI合規(guī)性對于項目成功至關(guān)重要。在游戲后期這樣做會使該過程具有挑戰(zhàn)性、耗時且成本高昂。線路濾波、電源設(shè)計、適當(dāng)?shù)腜CB布局和屏蔽是將EMI降至最低的一些常用技術(shù)。
設(shè)計 EMI 線路濾波
輸入源和電源轉(zhuǎn)換器之間的π濾波器可降低功率轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)輻射。通過執(zhí)行步驟選擇篩選器組件,如下所示:
1. 確定輸入阻抗R在.降壓轉(zhuǎn)換器的最差情況下閉環(huán)輸入阻抗為R在= RO/D2對于所有頻率,其中 RO是輸出負(fù)載,D是工作占空比。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在最小輸入電源電壓下工作時,會出現(xiàn)最小輸入阻抗。
示例:考慮Maxim的喜馬拉雅SiP電源模塊之一MAXM17575,4.5V在至 60V在, 0.9V外至 54V外可提供高達(dá) 1.5A 的電流。以MAXM17575評估板(EV kit)為例,最小輸入電壓為7.5V。輸出負(fù)載為 Rο = Vο/Iο = 5V/1.5A = 3.3Ω。最大工作占空比為 D = Vο/V英敏= 5V/7.5V = 0.66。因此,可能的最小輸入阻抗為 R在= Rο/D2= 3.3Ω /0.662= 7.6Ω.
2. 設(shè)計輸出阻抗≤比R低10db的EMI濾波器在.增加輸入濾波器會影響DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能。為了將影響降至最低,濾波器的輸出阻抗必須始終小于功率轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗,直至轉(zhuǎn)換器的交越頻率。
圖4.傳導(dǎo)EMI輸入濾波器,插入輸入和電源模塊之間。
LC濾波器在其諧振頻率(最高值)下的輸出阻抗如下:
濾波器的有效阻抗比降壓轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗小10dB,大約等于輸入阻抗的三分之一。對于MAXM17575示例,所需的Zο為≤R在/3 = 7.6/3 = 2.5Ω,所有頻率最高可達(dá)MAXM17575電路的交越頻率,即45kHz。
設(shè)計 PCB 布局以實現(xiàn) EMI 合規(guī)性
PCB布局對EMI合規(guī)性有重大影響。糟糕的PCB布局可能會破壞具有完美電氣設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換器?;谙嗤慕祲恨D(zhuǎn)換器示例,以下是PCB布局的一些最佳實踐,以最大程度地減少EMI噪聲源:
最小化高di/dt電流環(huán)路。
正確放置 Lο、Cο 和 S2靠近在一起以最小化 I2電流環(huán)路。
將整組組件靠近 S 放置1和 C1以最小化 I1電流環(huán)路。
使用法拉第盾牌。法拉第屏蔽或籠子是用于阻擋電磁場的外殼。在電力系統(tǒng)中實現(xiàn)法拉第屏蔽有兩種常見的方法。
由導(dǎo)電材料(如銅)制成的籠子,用于包圍整個電力系統(tǒng)或設(shè)備。電磁場包含在籠子內(nèi)。然而,這種方法通常很昂貴,因為保持架材料和額外的裝配勞動力的成本。
PCB頂部和底部都有屏蔽接地層的布局,通過通孔連接,以模仿法拉第籠。所有高di/dt回路都放置在PCB的內(nèi)層,以便我們的法拉第籠屏蔽磁場向外輻射。如圖6所示,這種方法成本較低,通常足以控制EMI。
遵循這些PCB布局最佳實踐提供了一種合理的方法,可以實現(xiàn)EMI法規(guī)遵從性,而不會因降低開關(guān)邊沿而降低功率轉(zhuǎn)換器效率。
考慮Maxim的喜馬拉雅寬輸入IC,MAX17502,工作在4.5V電壓在至 60V在, 0.9V外至 54V外提供 1A 電流。以下是MAX17502 EMI評估板PCB布局,采用法拉第屏蔽技術(shù)(b)。圖7a顯示了用作法拉第屏蔽的頂層和底層。圖 7b 顯示了用于路由的第二層和第三層內(nèi)層。第二層用作額外的屏蔽,但也可用于路由跟蹤。在這種布局中,高di/dt電流環(huán)路I1和我2在第三層布線,該層完全封閉在我們的法拉第盾中。
圖 7a.頂層和底層用作法拉第盾牌。
圖 7b.第二層和第三層(內(nèi)部),在第三層路由高di/dt環(huán)路。
圖8和圖9所示為MAX17502 EMI評估板的EMI測試結(jié)果,該評估板通過CISPR 22 B類認(rèn)證,裕量良好。
圖8.MAX17502 EMI評估板傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果。左:準(zhǔn)峰值,右:平均。
圖9.MAX17502 EMI評估板輻射EMI測試結(jié)果。
具有低 EMI 的功率組件
由于來自輸出電感器的磁場也會輻射并導(dǎo)致EMI問題,因此使用低EMI電感可降低輻射EMI。建議使用屏蔽電感器,因為磁場是屏蔽的,并且包含在電感器結(jié)構(gòu)內(nèi)。避免使用磁能可以自由輻射的電感器類型。使用屏蔽電感器并采用良好PCB布局實踐的功率模塊表現(xiàn)出良好的EMI性能。
低 EMI 功率穩(wěn)壓器和模塊
Maxim的喜馬拉雅穩(wěn)壓器和功率模塊系列采用低EMI功率電感和良好的PCB布局實踐,提供固有的低EMI電源解決方案。與市場上其他簡單的切換臺不同,使用 Himalaya 解決方案意味著您無需擔(dān)心合規(guī)性。Maxim已完成IC、模塊和示例參考布局的所有工作,因此您可以以最佳成本通過CISPR 22(EN 55022)。下面顯示了示例MAXM17575的EMI測試結(jié)果以及輸入EMI濾波器信息:
表 6.MAXM17575的電磁干擾測試結(jié)果
測試物品(EUT) MAXM17575 結(jié)果 通過 EN55022 (CISPR 22) B 類 被測設(shè)備修訂版 修訂版-P1 輸入電壓 24V 正極 輸出電壓 5.0V 開關(guān)頻率 900千赫茲 輸出電流 1.5安培 |
EMI 濾波器配置 ? 傳導(dǎo) EMI 測試
圖 10.MAXM17575評估板EMI濾波器配置,用于傳導(dǎo)EMI測試。
表 7.用于傳導(dǎo)測試結(jié)果的濾波器組件
過濾器組件 | 價值 | 部件號 | 制造者 |
---|---|---|---|
電感-L1 | 10微小時 | PA4332.103NLT | 脈沖電子 |
電容器-C1 | 0.1μF | GRM188R72A104KA35 | 村田制作所 |
電容器-C2, C3 | 0微克 | GRM32CR72A105KA35 | 村田制作所 |
電容器-C4 | 10μF | EEE-TG2A100P | 松下 |
電容器-CIN | 2.2μF | GRM32ER72A225KA35 | 村田制作所 |
圖 11.MAXM17575評估板傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果。藍(lán)色:準(zhǔn)峰值,綠色:平均。
EMI 濾波器配置 ? 輻射 EMI 測試
圖 12.MAXM17575評估板EMI濾波器配置,用于輻射EMI測試。
MAXM17575具有極低的輻射EMI。所示的傳導(dǎo)EMI測試輸入濾波器不是必需的,也不用于輻射測試。使用輸入濾波器可為輻射測試結(jié)果提供額外的通過裕量。
表 8.用于輻射測試結(jié)果的濾波組件
過濾器組件 | 價值 | 部件號 | 制造者 |
---|---|---|---|
電容器-C1 | 0.1μF | GRM188R72A104KA35 | 村田制作所 |
電容器-C2 | 10微克 | EEE-TG2A100P | 松下 |
電容器-CIN | 2.2μF | GRM32ER72A225KA35 | 村田制作所 |
圖 13.MAXM17575評估板輻射EMI測試結(jié)果。
結(jié)論
在設(shè)計周期的最早階段解決設(shè)計的EMI合規(guī)性對于項目成功至關(guān)重要。本應(yīng)用筆記介紹了最大限度降低EMI的常用技術(shù),以及線路濾波設(shè)計、良好PCB布局和屏蔽實踐的指南和示例。使用適當(dāng)?shù)臑V波器(低EMI PMIC、元件和/或電源模塊)和良好的PCB布局技術(shù)和屏蔽來應(yīng)用精心規(guī)劃的設(shè)計,可以讓您走上正確的軌道,實現(xiàn)一次通過的成功。
審核編輯:郭婷
-
電源
+關(guān)注
關(guān)注
184文章
17719瀏覽量
250215 -
濾波器
+關(guān)注
關(guān)注
161文章
7817瀏覽量
178150 -
emi
+關(guān)注
關(guān)注
53文章
3589瀏覽量
127680
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論