如何使PCB電路符合EMI和EMC兼容性的要求

理解電壓調(diào)節(jié)器的物理特性對(duì)于設(shè)計(jì)符合EMI和EMC兼容性要求的電源系統(tǒng)至關(guān)重要。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器（降壓、升壓、反激以及SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）的物理特性對(duì)于元件選擇、電磁設(shè)計(jì)以及PCB布局具有特殊的指導(dǎo)意義。漏感、ESR和ESL的寄生效應(yīng)是優(yōu)化電路性能的關(guān)鍵所在。

大多數(shù)便攜設(shè)備包含電壓調(diào)節(jié)器或其它類(lèi)型的電源電路，許多非便攜式設(shè)備中使用的小尺寸光刻技術(shù)IC要求較低的供電電壓，也必須由特定的電源電路來(lái)提供。然而許多設(shè)計(jì)者并不完全了解，電壓調(diào)節(jié)器和電源電路的選擇對(duì)于電池壽命、電磁干擾/電磁兼容（EMI/EMC）規(guī)范的兼容性、甚至產(chǎn)品的基本性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求都有著重大影響。以下就有關(guān)電源電路中電氣噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)制及物理原理進(jìn)行討論。

電壓調(diào)節(jié)器

最為普通的功率轉(zhuǎn)換器就是電壓調(diào)節(jié)器。它可以接受一個(gè)在某給定范圍內(nèi)變動(dòng)的輸入電壓，并產(chǎn)生一個(gè)不變的輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器主要包含兩大類(lèi)：開(kāi)關(guān)型和所有其它類(lèi)型（主要是線性和并聯(lián)型）。不同于開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器，線性和并聯(lián)型的適用范圍很有限，因?yàn)槠漭敵鲭妷罕仨毐３值陀谳斎腚妷?。另外，大多?shù)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的效率也優(yōu)于對(duì)應(yīng)的線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器。不過(guò)，線性/并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的低噪聲和簡(jiǎn)單性使它們相對(duì)于開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器更有吸引力。

最簡(jiǎn)單的電壓調(diào)節(jié)器是并聯(lián)型調(diào)節(jié)器，它通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)電阻的電流，使輸入電壓下降到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電平。齊納二極管具有類(lèi)似功能，但齊納管中的功率消耗過(guò)大，且負(fù)載調(diào)整（輸出電壓隨負(fù)載電流的變化）很差。有些并聯(lián)調(diào)節(jié)器允許利用分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)定穩(wěn)定電壓，但通常是作為一個(gè)功能模塊出現(xiàn)在更為復(fù)雜的調(diào)節(jié)器或電源中。一般來(lái)講，并聯(lián)調(diào)節(jié)器適合于負(fù)載電流變化不大的低功耗系統(tǒng)。然而，這種狹窄的應(yīng)用范圍可以通過(guò)增加一個(gè)有源調(diào)整元件（通常是一個(gè)雙極晶體管）而得以擴(kuò)展，此時(shí)的并聯(lián)調(diào)節(jié)器就轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性調(diào)節(jié)器。

線性電壓調(diào)節(jié)器

線性電壓調(diào)節(jié)器利用一個(gè)有源調(diào)整元件（雙極型或MOSFET）將輸入電壓降低至穩(wěn)定的輸出電壓。這類(lèi)器件中，低壓差型（LDO）在過(guò)去的十年中已十分流行。壓差指維持輸出穩(wěn)定所需的最小電壓差異（輸入和輸出之間）。降落電壓高達(dá)1V的調(diào)節(jié)器一度被稱(chēng)為L(zhǎng)DO，但更典型的壓差值在100mV至300mV之間。

線性調(diào)節(jié)器的輸入電流接近于輸出電流，它的效率（輸出功率除以輸入功率）是輸出/輸入電壓比的函數(shù)。因此，壓差是一個(gè)非常重要的性能，因?yàn)楦偷膲翰钜馕吨叩男省Ｈ绻斎腚妷焊叱鲚敵龊芏?，或者它在很寬的范圍?nèi)變動(dòng)，那么就很難獲得比較高的轉(zhuǎn)換效率。除此之外LDO調(diào)節(jié)器還可作為一道屏障來(lái)隔離開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲（進(jìn)一步討論）。在此用途中，LDO調(diào)節(jié)器的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。

開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器

如果線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的性能不能滿足應(yīng)用要求，那么設(shè)計(jì)者就必須轉(zhuǎn)而考慮開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器。然而，伴隨著性能的改進(jìn)也帶來(lái)一些不足之處，例如更大的尺寸和更高的成本，更敏感于（并產(chǎn)生）電氣噪聲，以及復(fù)雜程度的增加等等。

開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器或電源所產(chǎn)生的噪聲以傳導(dǎo)或輻射的形式出現(xiàn)。傳導(dǎo)型噪聲表現(xiàn)為電壓或電流形式，它們還可進(jìn)一步分類(lèi)為共?；虿钅鞑シ绞?。更為復(fù)雜的是，連接線上有限的阻抗會(huì)將電壓傳播轉(zhuǎn)換為電流傳播，反之亦然，并且差模傳播也會(huì)產(chǎn)生出共模傳播噪聲，反之亦然。

一般來(lái)講，你可以降低上述一種或多種傳播類(lèi)型的噪聲使電路得到優(yōu)化。傳導(dǎo)型噪聲對(duì)于固定系統(tǒng)的影響往往比對(duì)便攜式系統(tǒng)更為嚴(yán)重。因?yàn)楸銛y式設(shè)備依靠電池工作，它的負(fù)載和電源沒(méi)有傳播傳導(dǎo)型噪聲的外部連接。

為了理解開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中的噪聲源，必須首先了解其工作原理。對(duì)于各種類(lèi)型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的描述超出了本文的涉及范圍。不過(guò)，基本上各種開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器都是利用有源元件（晶體管和二極管）在儲(chǔ)能元件（電感和電容）之間往復(fù)傳送電流，最終實(shí)現(xiàn)源端電壓/電流到負(fù)載端電壓/電流的轉(zhuǎn)換。為方便描述，采用MAX1653 DC/DC轉(zhuǎn)換控制器構(gòu)成典型的同步整流、降壓型轉(zhuǎn)換器（圖1）。

圖1. 圖中所示的降壓型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器采用外接的開(kāi)關(guān)管（N1）和同步整流器（N2）

正常工作期間，該電路在高端開(kāi)關(guān)（N1）導(dǎo)通時(shí)從輸入向輸出傳送電流，而在N1關(guān)斷、同步整流器（N2）導(dǎo)通時(shí)由電感繼續(xù)傳送。粗略假定所有元件都是理想的，可以得到近似一階的電流和電壓波形（圖2），這些元件的寄生效應(yīng)將在后續(xù)部分中考慮進(jìn)來(lái)。

圖2. 這些工作波形基于圖1電路中所有元件具有理想特性的假設(shè)后得出

由于N1僅在一部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，從源端和輸入電容（CIN）的位置看來(lái)電流是不連續(xù)的。CIN在N1導(dǎo)通時(shí)提供超出部分電流（IL - IINPUT），而在N1關(guān)斷時(shí)由輸入電流儲(chǔ)存電荷。如果CIN為無(wú)限大，且具有零等效串聯(lián)電阻（ESR）和零等效串聯(lián)電感（ESL），它兩端的電壓將在上述充電和放電周期中保持恒定。當(dāng)然，實(shí)際電壓會(huì)在每個(gè)周期間波動(dòng)。電流脈沖根據(jù)電導(dǎo)率關(guān)系，以等于或高于轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的速度，在CIN和輸入源之間進(jìn)行分配。

降低這種傳導(dǎo)型噪聲的一種最直接的方法是：在輸入端連接低阻抗旁路電容。另外一種靈巧一點(diǎn)的辦法更為節(jié)省成本和電路板空間：增加電源和轉(zhuǎn)換器之間的阻抗，并確保必要的直流電流能夠不受阻礙地通過(guò)。最佳的阻抗元件是電感器，但應(yīng)確保轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗在最高至環(huán)路的轉(zhuǎn)折頻率時(shí)都保持較低的水平（大多數(shù)DC-DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的環(huán)路轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于10kHz到100kHz間）。否則的話，輸入電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。

輸出電容（COUT）上的紋波電流要比CIN上的低得多，不但幅度較低，而且（不同于輸入電容）電流是連續(xù)的，因此也就具有比較少的諧波成分。通常，每匝線圈都被一層絕緣物質(zhì)覆蓋，這就在各匝線圈之間形成了一個(gè)小的電容。這些雜散電容串聯(lián)疊加后形成一個(gè)和電感相并聯(lián)的小等效電容，它提供了一條將沖擊電流傳導(dǎo)至COUT和負(fù)載的通路。這樣，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處（LX）電壓波形的不連續(xù)跳變沿就會(huì)向COUT和負(fù)載傳送高頻電流，結(jié)果常常是在輸出電壓上形成毛刺，能量分布于20MHz至50MHz范圍。

這種類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的負(fù)載常常是對(duì)于傳導(dǎo)噪聲敏感的某種形式的微電子電路，不過(guò)幸運(yùn)的是，轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲在輸出端比起輸入端來(lái)更容易控制。和輸入端一樣，輸出傳導(dǎo)噪聲也可以利用低阻抗旁路或第二級(jí)濾波來(lái)加以控制，第二級(jí)（后端）濾波器的使用應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。輸出電壓是控制環(huán)路中的一個(gè)控制變量，輸出濾波器給環(huán)路增益附加了延時(shí)或相移（或兩者），有可能使電路不穩(wěn)定。如果一個(gè)高Q值LC后端濾波器被置于反饋點(diǎn)之后，電感的電阻將會(huì)降低負(fù)載調(diào)整特性，并且瞬態(tài)負(fù)載電流會(huì)引起輸出振蕩。

其它類(lèi)型的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器具有與降壓轉(zhuǎn)換器類(lèi)似的問(wèn)題。以升壓型轉(zhuǎn)換器（圖3）為例，此種類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似于降壓型轉(zhuǎn)換器，只不過(guò)輸入和輸出易位。這樣，出現(xiàn)于降壓轉(zhuǎn)換器輸入端的問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)在升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，反之亦然。

圖3. 這個(gè)升壓型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器缺省同步整流器，但仍然相似于輸入和輸出互換的降壓型結(jié)構(gòu)。

降壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用具有局限性，因?yàn)槠漭敵鲭妷罕仨毜陀谳斎腚妷骸ｎ?lèi)似地，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓必須高于其輸入電壓。當(dāng)輸出電壓落在輸入電壓范圍之間時(shí)，就給這兩種拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器造成一些困難。反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題（圖4）。

圖4. 反激式調(diào)節(jié)器在輸入范圍高于和低于輸出電壓的情況下都可保持穩(wěn)定的輸出

反激式轉(zhuǎn)換器輸入、輸出端的電流均不連續(xù)，這使傳導(dǎo)型噪聲更加難以控制，這種轉(zhuǎn)換器的噪聲特性通常比升壓型或降壓型更差。存在于這種轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)問(wèn)題是，變壓器上每個(gè)繞組中的電流都不連續(xù)。這種不連續(xù)電流作用于變壓器漏感就會(huì)產(chǎn)生高頻電壓尖刺，它可以傳播到其它電路。初、次級(jí)線圈之間的空間間隔是造成漏感的主要原因。也就是說(shuō)，漏感是由空氣中的磁場(chǎng)引起的（因?yàn)榇判局械拇艌?chǎng)同時(shí)耦合至初級(jí)和次級(jí)線圈）。因此，因漏感而產(chǎn)生的電壓尖刺會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。

另一種解決輸入和輸出電壓交疊問(wèn)題的方法是采用單端主電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）拓?fù)?。SEPIC轉(zhuǎn)換器類(lèi)似于反激式電路，只是在變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈間連接了一個(gè)電容（圖5）。在反激電流被切斷時(shí)，這個(gè)電容提供了一條初級(jí)和次級(jí)線圈的續(xù)流通路，由于初級(jí)和次級(jí)線圈中的電流變?yōu)檫B續(xù)，因此改善了反激式電路的性能。從另一方面講，增加反激式電路的輸入輸出電容通常也可以有效改善其噪聲性能，使這種拓?fù)淇梢员唤邮?。如果傳?dǎo)噪聲和輻射噪聲可能會(huì)成為問(wèn)題的話，那么SEPIC電路要優(yōu)于反激式。

圖5. 不同于非常相似的反激式調(diào)節(jié)器，單端主電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）具有連續(xù)的初級(jí)和次級(jí)電流，所產(chǎn)生的噪聲更低。

線性后端調(diào)節(jié)

有些應(yīng)用要求輸出噪聲非常小，而又無(wú)法接受線性調(diào)節(jié)器的低效率。這種情況下，采用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器后接線性調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)可能會(huì)比較適合。后端調(diào)節(jié)器可以削弱開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的高頻噪聲，最終的噪聲性能可以接近于一個(gè)單獨(dú)的線性調(diào)節(jié)器。由于大部分電壓轉(zhuǎn)換由開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器完成，因而效率的損失要比完全采用線性調(diào)節(jié)器時(shí)小得多。

這種方案也可以用于在輸入輸出電壓范圍有重疊的應(yīng)用中，替換反激式和SEPIC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓低于輸出時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器工作，而當(dāng)輸入高于輸出時(shí)線性調(diào)節(jié)器發(fā)揮作用。升壓轉(zhuǎn)換器和低壓差（LDO）線性調(diào)節(jié)器可以被組合到單片IC中（圖6）。這種器件具有一種跟蹤模式，使升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓總是高出LDO輸出電壓300mV。這樣，LDO調(diào)節(jié)器能夠保證具有足夠的PSRR和電壓裕量（輸入減輸出），可以在各種情況下抑制升壓轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。

圖6. 作為第三種選擇方案，此IC結(jié)合了一個(gè)開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器（用于升壓）和一個(gè)線性調(diào)節(jié)器（用于降壓），當(dāng)輸入電壓范圍跨越輸出電壓時(shí)可以保持穩(wěn)定的輸出。

按照定義，共模傳導(dǎo)噪聲在輸入或輸出端的兩條連接線上相位相同。一般來(lái)講，它僅對(duì)那些和大地有連接通路的固定系統(tǒng)造成影響。在一個(gè)帶有共模濾波器的典型離線式電源中（圖7），共模噪聲的主要來(lái)源是MOSFET。MOSFET通常是電路中的主要耗能元件，很多情況下它需要配散熱器。

圖7. 在這個(gè)典型的離線式電源中，共模濾波器可降低輸入和輸出兩側(cè)的噪聲。

TO-220器件的散熱片連接于MOSFET漏極，而大多數(shù)情況下，散熱器會(huì)向大地傳導(dǎo)電流。由于MOSFET與散熱器電氣隔離，它和大地之間具有一定的分布電容。隨著開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)斷，迅速變化的漏極電壓會(huì)通過(guò)分布電容（CP1）向大地發(fā)送電流。由于交流電線和大地之間的低阻抗，這種共模電流會(huì)通過(guò)交流輸入流入大地。變壓器也會(huì)通過(guò)分布于隔離的初、次級(jí)繞組間的電容（CP2A和CP2B）傳導(dǎo)高頻電流。這樣，噪聲會(huì)同時(shí)傳向輸出端和輸入端。

圖7中，共模傳導(dǎo)噪聲被安置在噪聲源（電源）和輸入或輸出之間的共模濾波器抑制。共模扼流圈（CML1和CML2）通常是在單一磁芯上按圖中所示極性繞制而成。負(fù)載電流和驅(qū)動(dòng)電源的入線電流都是差模電流（電流由一條線流入另一條線流出）。在這種由單一磁芯繞制的共模扼流圈中，差模電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，因此可以使用較小的磁芯，因?yàn)槠渲械膬?chǔ)能很小。

許多為離線式電源設(shè)計(jì)的共模扼流圈采用空間上分離的線圈繞成。這種結(jié)構(gòu)增加了一定的差模電感，這有助于降低傳導(dǎo)型差模噪聲。由于磁芯同時(shí)穿過(guò)兩組線圈，所以由差模電流和電感產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要存在于空氣中而非磁芯中，這會(huì)導(dǎo)致電磁輻射。

產(chǎn)生于電源所帶負(fù)載的共模噪聲會(huì)經(jīng)由變壓器中的分布電容（CP2A和CP2B），穿過(guò)電源向交流電網(wǎng)傳播。在變壓器中增加法拉第屏蔽（初、次級(jí)之間的接地層）可以降低這種噪聲（圖8）。屏蔽層的引入在初級(jí)和次級(jí)線圈與地之間分別形成了分布電容，這些電容將共模電流旁路到地，而不再穿過(guò)變壓器。

圖8. 初級(jí)和次級(jí)之間的法拉第屏蔽可以阻斷通過(guò)變壓器繞組間分布電容的共模噪聲

正如傳導(dǎo)噪聲總是以電壓或電流的形式出現(xiàn)，輻射噪聲則是表現(xiàn)為電場(chǎng)或磁場(chǎng)的形式。然而，由于電磁場(chǎng)存在于空間而非導(dǎo)體中，因此也就沒(méi)有差分或共模之別。電場(chǎng)存在于兩個(gè)電位之間的空間中，磁場(chǎng)圍繞通過(guò)空間的電流而存在。兩種場(chǎng)可存在于一個(gè)電路中，因?yàn)殡娙菥褪且噪妶?chǎng)的形式儲(chǔ)能而電感/變壓器則以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存/耦合能量。

電場(chǎng)

由于電場(chǎng)存在于兩個(gè)具有不同電位的表面或?qū)嶓w之間，因此，只需要用一個(gè)接地的防護(hù)罩將設(shè)備屏蔽起來(lái)，就可以相對(duì)容易地將設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)噪聲限制在屏蔽罩內(nèi)部。這種屏蔽措施已被廣泛用于監(jiān)視器、示波器、開(kāi)關(guān)電源以及其它具有大幅度電壓擺動(dòng)的設(shè)備。另外一種通行的做法是在電路板上設(shè)置接地層。電場(chǎng)強(qiáng)度正比于表面之間的電位差，并反比于它們之間的距離。舉例來(lái)講，電場(chǎng)可存在于源和附近的接地層之間。這樣，利用多層線路板，在電路或線條與高電位之間設(shè)置一個(gè)接地層，就可以對(duì)電場(chǎng)起到屏蔽作用。

不過(guò)在采用接地層時(shí)還應(yīng)注意到高壓線路中的容性負(fù)載。電容儲(chǔ)能于電場(chǎng)中，這樣，當(dāng)靠近一個(gè)電容設(shè)置接地層時(shí)就在導(dǎo)體和地之間形成一個(gè)電容。導(dǎo)體上的大dV/dt信號(hào)會(huì)產(chǎn)生大傳導(dǎo)電流到地，這樣，在控制輻射噪聲的同時(shí)卻降低了傳導(dǎo)噪聲性能。

如果出現(xiàn)電場(chǎng)散射，來(lái)源最有可能位于系統(tǒng)中電位最高的地方。在電源和開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中，應(yīng)該注意開(kāi)關(guān)晶體管和整流器，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂懈唠娢唬矣捎趲в猩崞?，也具有比較大的表面積。表面安裝器件同樣存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兂３Ｒ蟠竺娣e電路板覆銅來(lái)幫助散熱。這種情況下，還應(yīng)注意大面積散熱面和接地層或電源層之間的分布電容。

磁場(chǎng)

電場(chǎng)相對(duì)比較容易控制，但磁場(chǎng)就完全不同了。采用高磁導(dǎo)率（μ）的物質(zhì)將電路封閉起來(lái)可以起到類(lèi)似的屏蔽作用，但是這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難而且昂貴。通常來(lái)講，控制磁場(chǎng)散射最好的辦法就是在源頭將其減至最小。一般情況下，這就要求選擇那些磁輻射小的電感和變壓器。同樣重要的還有，在進(jìn)行電路板布局和連接線配置時(shí)要注意最大限度減小電流回路的尺寸，尤其是那些載有大電流的回路。大電流回路不僅向外輻射磁場(chǎng)，但它們還增加了導(dǎo)線的電感，這會(huì)在載有高頻電流的線上引起電壓尖刺。