【導(dǎo)讀】提前規(guī)劃系統(tǒng)的EMI合規(guī)性對(duì)于項(xiàng)目成功至關(guān)重要。精心規(guī)劃的設(shè)計(jì)應(yīng)使用正確的濾波器、低EMI PMIC/元件以及/或者低EMI電源模塊，再加上良好的PCB布局和屏蔽技術(shù)，這樣將能夠保證大概率一次性成功。
電磁兼容(EMI)合規(guī)性測(cè)試?yán)硭?dāng)然應(yīng)該在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的最后進(jìn)行。不能通過(guò) EMI 測(cè)試是系統(tǒng)工程師的噩夢(mèng)。這不但是產(chǎn)品出貨計(jì)劃的巨大障礙，而且意味著重新設(shè)計(jì)電源，代價(jià)昂貴。慶幸的是，設(shè)計(jì)符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的電源方案并不是不成功便成仁的事情。精心規(guī)劃的設(shè)計(jì)應(yīng)使用正確的濾波器、低 EMI 元件、低 EMI 電源調(diào)節(jié)器 IC 以及/或者低 EMI 電源模塊，再加上良好的 PCB 布局和屏蔽技術(shù)，這樣將能夠保證大概率一次性成功。
什么是 EMI 噪聲？為什么必須小心謹(jǐn)慎？
當(dāng)電子設(shè)備連接到或靠近另一個(gè)產(chǎn)生 EMI 的電子設(shè)備，或者與之共用電源時(shí)，其工作就會(huì)受到EMI 的干擾。EMI 可以是傳導(dǎo)性或輻射性。EMI 問(wèn)題會(huì)妨礙電子設(shè)備與相鄰的設(shè)備一起工作。我們?nèi)粘Ｉ钪锌赡茉庥龅某Ｒ?jiàn) EMI 例子有：
•低空飛行的飛行器干擾收音機(jī)或電視的音頻/視頻信號(hào)。
•發(fā)射機(jī)造成當(dāng)?shù)仉娨暸_(tái)不能顯示其畫(huà)面。最壞情況下，畫(huà)面會(huì)全部消失，或者呈現(xiàn)出某種圖像模式。
•手機(jī)與通信塔握手以處理呼叫時(shí)引起的干擾(所以航班要求乘客在飛行期間關(guān)閉手機(jī))。
•微波爐發(fā)出的干擾會(huì)影響附近的 WiFi 信號(hào)。
隨著電子設(shè)備用量的大幅增長(zhǎng)，電磁兼容(EMC)問(wèn)題已成為一項(xiàng)重要課題。因此，誕生了標(biāo)準(zhǔn)化組織，以確保電子設(shè)備即使在 EMI 環(huán)境下也具備正常性能。現(xiàn)在，有了現(xiàn)代化電子設(shè)備，幾乎能夠在任何電子設(shè)備附近正常地使用手機(jī)及其他無(wú)線設(shè)備，幾乎沒(méi)有影響或影響非常小。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，需要保證設(shè)備不發(fā)射有害輻射，同時(shí)也使設(shè)備不易受射頻輻射的影響。
EMI 設(shè)計(jì)要求：
CISPR 22 (歐洲通常稱(chēng)為 EN55022) EMI 規(guī)范將設(shè)備、裝置和電器分為兩類(lèi)：
B 類(lèi)：設(shè)計(jì)用于家庭環(huán)境且滿足 CISPR22 標(biāo)準(zhǔn) B 類(lèi)發(fā)射要求的設(shè)備、裝置和電器。
A 類(lèi)：不滿足 CISPR22 標(biāo)準(zhǔn) B 類(lèi)發(fā)射要求但符合較寬松的 CISPR22 標(biāo)準(zhǔn) A 類(lèi)發(fā)射要求的設(shè)備、裝置和電器。A 類(lèi)設(shè)備應(yīng)具有以下警告：“本產(chǎn)品為 A 類(lèi)設(shè)備。在家庭環(huán)境中，本產(chǎn)品可能會(huì)引起無(wú)線電干擾，此時(shí)用戶可能需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?rdquo;
EMI 測(cè)試包括兩部分：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試在 150kHz 至 30MHz 頻率范圍進(jìn)行。這是傳導(dǎo)至電源的交流電流，采用兩種方法進(jìn)行測(cè)量：準(zhǔn)峰值和平均值，各自具有其自身的限值。輻射發(fā)射測(cè)試在較高的 30MHz 至 1GHz 射頻范圍進(jìn)行。這是來(lái)自于被測(cè)設(shè)備(DUT)的輻射磁場(chǎng)。測(cè)試范圍上限 1GHz 適用于內(nèi)部振蕩頻率最高為 108MHz 的 DUT。該范圍上限在內(nèi)部振蕩器高達(dá) 500MHz 時(shí)擴(kuò)展到 2GHz，內(nèi)部振蕩器頻率高達(dá) 1GHz 時(shí)擴(kuò)展到 5GHz，內(nèi)部振蕩器頻率高達(dá) 1GHz 時(shí)擴(kuò)展到6GHz。
以下為 CISPR 22 規(guī)范的圖示：Y 軸為測(cè)試 EMI 的大小，單位為 dBuV。X 軸為測(cè)試頻率，單位為 Hz。
圖 1：CISPR 22 標(biāo)準(zhǔn) B 類(lèi)傳導(dǎo) EMI 規(guī)范。
圖 2：CISPR 22 標(biāo)準(zhǔn) A 類(lèi)傳導(dǎo) EMI 規(guī)范。
圖 3：CISPR 22 標(biāo)準(zhǔn) B 類(lèi)輻射 EMI 規(guī)范。
圖 4：CISPR 22 標(biāo)準(zhǔn) A 類(lèi)輻射 EMI 規(guī)范。
開(kāi)關(guān)電源中的 EMI 噪聲源
開(kāi)關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生電磁能和噪聲，也受外部干擾源的電磁噪聲影響。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲可分為傳導(dǎo)和輻射兩類(lèi)。傳導(dǎo)發(fā)射的形式可以是電壓或電流，其各自又可進(jìn)一步分為共模或差模。此外， 連接線的有限阻抗造成電壓傳導(dǎo)，進(jìn)而引起電流傳導(dǎo)，反之亦然；差模傳導(dǎo)引起共模傳導(dǎo)，反之亦然。
我們接下來(lái)討論開(kāi)關(guān)電源中的噪聲源。這是一個(gè) buck 調(diào)節(jié)器原理簡(jiǎn)圖及其工作電路波形：
圖 5：Buck 調(diào)節(jié)器原理簡(jiǎn)圖及其工作波形傳導(dǎo) EMI。
傳導(dǎo)EMI
如圖 5 所示，buck 調(diào)節(jié)器的輸入電流 II 為脈沖波形，這是主要的傳導(dǎo)源，是反灌回電源 VS 的差分EMI。傳導(dǎo)發(fā)射主要受轉(zhuǎn)換器輸入處快速變化波形的影響(di/dt)。傳導(dǎo)發(fā)射的值是在轉(zhuǎn)換器輸入處作為電壓 VS 測(cè)量的，采用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)。輸入電容 CI 的功能是濾除交流(脈沖)分量。網(wǎng)絡(luò)電流 IS 是 II 與 ICI 之差。我們希望 IS 為直流或者盡量平滑。如果 CI 為容值無(wú)限的理想電容器，將使 VI 保持恒定，并有效濾除 I1 的全部交流分量，保留來(lái)自于電源 VS 的恒定(直流)電流，以及保證源阻抗 RS 上的直流壓降為恒定值。在這種情況下，由于 IS 為直流電流，傳導(dǎo) EMI 將為零。實(shí)際應(yīng)用中，我們?cè)谳斎朐春娃D(zhuǎn)換器之間使用 π 濾波器，使傳導(dǎo) EMI 在調(diào)節(jié)限值范圍之內(nèi)。
傳導(dǎo)發(fā)射給固定系統(tǒng)帶來(lái)的問(wèn)題通常大于便攜式系統(tǒng)。由于便攜式設(shè)備使用電池工作，其負(fù)載和源沒(méi)有外部連接可供傳導(dǎo)發(fā)射。
輻射EMI
輻射 EMI 為快速變化的磁場(chǎng)，具有 30MHz 及以上的高頻成分。磁場(chǎng)是由電路的電流環(huán)路產(chǎn)生的。如果不能正確濾除或屏蔽這種磁場(chǎng)的變化，這種變化就會(huì)耦合到其他鄰近電路和/或設(shè)備，引起輻射 EMI 效應(yīng)。
圖 6：Buck 調(diào)節(jié)器原理簡(jiǎn)圖及其快速 di/dt 電流環(huán)路。
圖 6 所示為 buck 轉(zhuǎn)換器及其快速 di/dt 電路環(huán)路 I1 和 I2。電流環(huán)路 I1 在導(dǎo)通期間進(jìn)行傳導(dǎo)，S1 導(dǎo)通，S2 關(guān)斷；電流環(huán)路 I2 在關(guān)斷期間進(jìn)行傳導(dǎo)，S1 關(guān)斷，S2 導(dǎo)通。電流環(huán)路 I1 和 I2 的脈動(dòng)性質(zhì)造成磁場(chǎng)變化，場(chǎng)強(qiáng)與電流幅值及傳導(dǎo)環(huán)路的面積成比例。快速 di/dt 電流沿產(chǎn)生高頻諧波 EMI，且在規(guī)定的輻射范圍之內(nèi)。使此類(lèi)電流環(huán)路的面積盡量小，將能夠最大程度降低場(chǎng)強(qiáng)。放慢這些信號(hào)沿將降低開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的高頻諧波成分，但較慢的跳變會(huì)因?yàn)槔速M(fèi)能源而影響調(diào)節(jié)器效率。我們接下來(lái)討論能夠最大程度減小 EMI 輻射且不影響效率的途徑。
圖 7：電流環(huán)路產(chǎn)生的磁場(chǎng)。
電壓節(jié)點(diǎn) LX (有些廠商稱(chēng)之為 SW 或其他名稱(chēng))為矩形波(暫時(shí)忽略寄生振蕩)，連接到電感。LX 的快速 dv/dt 電壓非連續(xù)信號(hào)沿通過(guò)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。最大程度降低輸出電感的寄生電容以緩解噪聲耦合問(wèn)題非常重要。LX 也具有高頻寄生振蕩。使用從 LX 到 GND 的 RC 緩沖網(wǎng)絡(luò)有助于減小這種振蕩。
以上所述的 EMI 噪聲源的原理也同樣適用于其他開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。但噪聲嚴(yán)重程度取決于具體結(jié)構(gòu)的電流和電壓波形。例如，工作在連續(xù)傳導(dǎo)模式的 boost 轉(zhuǎn)換器的輸入電流比 buck 轉(zhuǎn)換器的輸入電流更連續(xù)，所以其輸入處的傳導(dǎo) EMI 較小。
采取亡羊補(bǔ)牢的方法修正電源系統(tǒng)的 EMI 問(wèn)題實(shí)際上非常困難、耗費(fèi)時(shí)間且代價(jià)昂貴。預(yù)先設(shè)計(jì)和規(guī)劃 EMI 合規(guī)性對(duì)于項(xiàng)目成功至關(guān)重要。常見(jiàn)的 EMI 抑制技術(shù)有電源濾波、電源設(shè)計(jì)、正確的 PCB 布局以及屏蔽。
EMI 電源濾波設(shè)計(jì)
為降低來(lái)自電源轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)發(fā)射，在輸入源和電源轉(zhuǎn)換器之間使用 π 濾波器。選擇濾波器元件的設(shè)計(jì)步驟如下：
確定輸入阻抗 RIN：最差情況下，buck 轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)輸入阻抗在所有頻率下均為 RIN = RO/D2，其中 RO為輸出負(fù)載，D 為工作占空比。轉(zhuǎn)換器工作在最小輸入電壓時(shí)，輸入阻抗最小。
例：以 Maxim 的喜馬拉雅 SiP 電源模塊 MAXM17575 為例，器件采用 4.5-60Vin、0.9-12Vout，提供最大 1.5A 電流。以 MAXM17575 評(píng)估板為例，最小輸入電壓為 7.5V。輸出負(fù)載為 RO = Vo/Io = 5V/1.5A =3.3?。最大工作占空比為 D = VO/VINmin = 5V/7.5V = 0.66。所以，最低可能輸入阻抗為 RIN = RO/D2 = 3.3 ?/0.662 = 7.6?。
按照輸出阻抗比 RIN 小 10db 或更小來(lái)設(shè)計(jì) EMI 濾波器：增加輸入濾波器會(huì)影響 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的性能。為最大程度減小這種影響，在最高達(dá)轉(zhuǎn)換器穿越頻率的所有頻率下，濾波器的輸出阻抗必須小于電源轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。
圖 8. 傳導(dǎo) EMI 輸入濾波器，插入在輸入和電源模塊之間。
LC 濾波器在諧振頻率下的輸出阻抗(最高值)為：
我們?cè)谠O(shè)計(jì)中考慮濾波器的有效阻抗比 buck 轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗小 10dB，大約等于輸入阻抗的三分之一。在 MAXM17575 的例子中，要求 Zo < RIN/3 = 7.6/3 = 2.5?，適用于 MAXM17575 電路穿越頻率 (45kHz)以下的所有頻率。
PCB 布局最佳實(shí)踐
PCB 布局對(duì) EMI 合規(guī)性至關(guān)重要。糟糕的 PCB 布局會(huì)徹底破壞設(shè)計(jì)完美的電源轉(zhuǎn)換器。以下為好的 PCB 布局實(shí)踐，利用上例中相同的 buck 轉(zhuǎn)換器最大程度減小 EMI 噪聲源：
最大程度減小高 di/dt 電流環(huán)路：將 LO、CO 和 S2 正確布置在一起，最大程度減小 I2 電流環(huán)路。然后，使這一組元件靠近 S1 和 C1，最大程度減小 I1 電流環(huán)路。使用 buck 調(diào)節(jié)器 IC(即集成功率開(kāi)關(guān) S1 和 S2 的 buck 控制器)時(shí)，選擇具有好的引腳排列從而支持這種最小化的 IC 非常重要。相同道理也適用于使用電源模塊的情況。
圖 9：Buck 轉(zhuǎn)換器的高 di/dt 電流環(huán)路。
使用法拉第屏蔽：以英國(guó)科學(xué)家邁克爾•法拉第的名字命名的法拉第屏蔽(或法拉第籠)是用于阻隔電磁場(chǎng)的一種外殼。電源系統(tǒng)中實(shí)施法拉第屏蔽的方法通常有兩種：
a.由導(dǎo)電材料(例如銅)制成的籠子，將整個(gè)電源系統(tǒng)或設(shè)備籠罩起來(lái)。電磁場(chǎng)維持在籠子內(nèi)部。由于籠子的材料成本和附加裝配勞力，這種方法一般成本較高。
b.PCB 的頂層和底層布局帶有屏蔽接地區(qū)域，利用一個(gè)過(guò)孔將其連接起來(lái)，以模擬法拉第籠。所有高 di/dt 環(huán)路布置在 PCB 的內(nèi)層，所以法拉第籠就能夠屏蔽電磁場(chǎng)， 防止向外輻射。該方法成本較低，通常足以抑制 EMI。圖 10 為該技術(shù)的示意圖。
圖 10：多層 PCB 板的法拉第屏蔽。
實(shí)施這些 PCB 布局的最佳實(shí)踐提供了 EMI 合規(guī)性的合理途徑，不會(huì)因?yàn)樾枰獪p慢開(kāi)關(guān)信號(hào)沿而犧牲電源轉(zhuǎn)換器效率。
現(xiàn)在，我們以 Maxim 的喜馬拉雅 MAX17502 寬輸入范圍 IC 為例，器件工作在 4.5-60Vin、0.9- 54Vout，提供 1A 負(fù)載電流。以下為 MAX17502 EMI 評(píng)估板 PCB 的布局，采用了法拉第屏蔽技術(shù) (b)。圖 11a 所示為頂層和底層，用作法拉第屏蔽；圖 11b 所示為內(nèi)部第二層和第三層，用于布線。這里的第二層用作額外屏蔽，也可用于布線。該布局中，高 di/dt 電流環(huán)路 I1 和 I2 布置在第三層， 被完整籠罩在法拉第屏蔽中。
圖 11a：用作法拉第屏蔽的頂層和底層。
圖 11b：第二和第三(內(nèi))層，高 di/dt 環(huán)路布置在第三層。
以下為 MAX17502 EMI 評(píng)估板的 EMI 測(cè)試結(jié)果，以非常好的裕量通過(guò)了 CISPR 22 標(biāo)準(zhǔn) B 類(lèi)要求。
圖 12：MAX17502 EMI 評(píng)估板傳導(dǎo) EMI 測(cè)試結(jié)果。左：準(zhǔn)峰值；右：平均值。
圖 13：MAX17502 EMI 評(píng)估板輻射 EMI 測(cè)試結(jié)果。
低 EMI 功率元件
輸出電感的磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生輻射，引起 EMI 問(wèn)題。使用低 EMI 電感可降低輻射的 EMI。建議使用屏蔽電感。這種電感具有磁場(chǎng)屏蔽，被約束在電感結(jié)構(gòu)內(nèi)部。避免使用磁能自由輻射的電感類(lèi)型。采用屏蔽電感以及實(shí)施良好 PCB 布局實(shí)踐的電源模塊將呈現(xiàn)良好的 EMI 性能。
低 EMI 電源穩(wěn)壓器和模塊
Maxim 的喜馬拉雅穩(wěn)壓器和電源模塊家族采用低 EMI 功率電感和良好的 PCB 布局實(shí)踐，提供固有低 EMI 電源方案。使用喜馬拉雅方案意味著您無(wú)需擔(dān)心合規(guī)性，與市場(chǎng)上的其他單純開(kāi)關(guān)形成鮮明對(duì)比。Maxim 的 IC、模塊以及示例參考布局已經(jīng)完成了全部工作，您能夠以最優(yōu)成本通過(guò)CISPR 22 (EN 55022)標(biāo)準(zhǔn)要求。以下為 MAXM17575 例子的 EMI 測(cè)試結(jié)果以及輸入 EMI 濾波器信息：
EMI 濾波器配置 — 傳導(dǎo) EMI 測(cè)試
圖14：用于傳導(dǎo) EMI 試驗(yàn)的 MAXM17575 評(píng)估板 EMI 濾波器配置。
圖 15：MAXM17575 評(píng)估板傳導(dǎo) EMI 測(cè)試結(jié)果。藍(lán)色：準(zhǔn)峰值；綠色：平均值
EMI 濾波器配置 — 輻射 EMI 測(cè)試
圖 16：用于輻射 EMI 試驗(yàn)的 MAXM17575 評(píng)估板 EMI 濾波器配置。
MAXM17575 本質(zhì)上具有極低的輻射 EMI。對(duì)于輻射測(cè)試，傳導(dǎo) EMI 測(cè)試中所示的輸入濾波器不需要也沒(méi)有使用。使用輸入濾波器能夠?yàn)檩椛錅y(cè)試提供更大的裕量。
圖 17：MAXM17575 評(píng)估板輻射 EMI 測(cè)試結(jié)果。
總結(jié)
提前規(guī)劃系統(tǒng)的 EMI 合規(guī)性對(duì)于項(xiàng)目成功至關(guān)重要。本文討論了最大程度降低 EMI 的常見(jiàn)技術(shù)， 還提供關(guān)于電源濾波設(shè)計(jì)、良好 PCB 布局、屏蔽實(shí)踐的指南以及實(shí)踐示例。精心規(guī)劃的設(shè)計(jì)應(yīng)使用正確的濾波器、低 EMI PMIC/元件以及/或者低 EMI 電源模塊，再加上良好的 PCB 布局和屏蔽技術(shù)，這樣將能夠保證大概率一次性成功。
