【導讀】提前規劃系統的EMI合規性對于項目成功至關(guān)重要。精心規劃的設計應使用正確的濾波器、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)合規性測試理所當然應該在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的最后進(jìn)行。不能通過(guò) EMI 測試是系統工程師的噩夢(mèng)。這不但是產(chǎn)品出貨計劃的巨大障礙，而且意味著(zhù)重新設計電源，代價(jià)昂貴。慶幸的是，設計符合 EMI 標準的電源方案并不是不成功便成仁的事情。精心規劃的設計應使用正確的濾波器、低 EMI 元件、低 EMI 電源調節器 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？為什么必須小心謹慎？
當電子設備連接到或靠近另一個(gè)產(chǎn)生 EMI 的電子設備，或者與之共用電源時(shí)，其工作就會(huì )受到EMI 的干擾。EMI 可以是傳導性或輻射性。EMI 問(wèn)題會(huì )妨礙電子設備與相鄰的設備一起工作。我們日常生活中可能遭遇的常見(jiàn) EMI 例子有：
•低空飛行的飛行器干擾收音機或電視的音頻/視頻信號。
•發(fā)射機造成當地電視臺不能顯示其畫(huà)面。最壞情況下，畫(huà)面會(huì )全部消失，或者呈現出某種圖像模式。
•手機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)。
•微波爐發(fā)出的干擾會(huì )影響附近的 WiFi 信號。
隨著(zhù)電子設備用量的大幅增長(cháng)，電磁兼容(EMC)問(wèn)題已成為一項重要課題。因此，誕生了標準化組織，以確保電子設備即使在 EMI 環(huán)境下也具備正常性能?，F在，有了現代化電子設備，幾乎能夠在任何電子設備附近正常地使用手機及其他無(wú)線(xiàn)設備，幾乎沒(méi)有影響或影響非常小。為了實(shí)現上述目的，需要保證設備不發(fā)射有害輻射，同時(shí)也使設備不易受射頻輻射的影響。
EMI 設計要求：
CISPR 22 (歐洲通常稱(chēng)為 EN55022) EMI 規范將設備、裝置和電器分為兩類(lèi)：
B 類(lèi)：設計用于家庭環(huán)境且滿(mǎn)足 CISPR22 標準 B 類(lèi)發(fā)射要求的設備、裝置和電器。
A 類(lèi)：不滿(mǎn)足 CISPR22 標準 B 類(lèi)發(fā)射要求但符合較寬松的 CISPR22 標準 A 類(lèi)發(fā)射要求的設備、裝置和電器。A 類(lèi)設備應具有以下警告：“本產(chǎn)品為 A 類(lèi)設備。在家庭環(huán)境中，本產(chǎn)品可能會(huì )引起無(wú)線(xiàn)電干擾，此時(shí)用戶(hù)可能需要采取適當的措施。”
EMI 測試包括兩部分：傳導和輻射。傳導發(fā)射測試在 150kHz 至 30MHz 頻率范圍進(jìn)行。這是傳導至電源的交流電流，采用兩種方法進(jìn)行測量：準峰值和平均值，各自具有其自身的限值。輻射發(fā)射測試在較高的 30MHz 至 1GHz 射頻范圍進(jìn)行。這是來(lái)自于被測設備(DUT)的輻射磁場(chǎng)。測試范圍上限 1GHz 適用于內部振蕩頻率最高為 108MHz 的 DUT。該范圍上限在內部振蕩器高達 500MHz 時(shí)擴展到 2GHz，內部振蕩器頻率高達 1GHz 時(shí)擴展到 5GHz，內部振蕩器頻率高達 1GHz 時(shí)擴展到6GHz。
以下為 CISPR 22 規范的圖示：Y 軸為測試 EMI 的大小，單位為 dBuV。X 軸為測試頻率，單位為 Hz。
圖 1：CISPR 22 標準 B 類(lèi)傳導 EMI 規范。
圖 2：CISPR 22 標準 A 類(lèi)傳導 EMI 規范。
圖 3：CISPR 22 標準 B 類(lèi)輻射 EMI 規范。
圖 4：CISPR 22 標準 A 類(lèi)輻射 EMI 規范。
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和輻射兩類(lèi)。傳導發(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?；虿钅?。此外， 連接線(xiàn)的有限阻抗造成電壓傳導，進(jìn)而引起電流傳導，反之亦然；差模傳導引起共模傳導，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 調節器原理簡(jiǎn)圖及其工作電路波形：
圖 5：Buck 調節器原理簡(jiǎn)圖及其工作波形傳導 EMI。
傳導EMI
如圖 5 所示，buck 調節器的輸入電流 II 為脈沖波形，這是主要的傳導源，是反灌回電源 VS 的差分EMI。傳導發(fā)射主要受轉換器輸入處快速變化波形的影響(di/dt)。傳導發(fā)射的值是在轉換器輸入處作為電壓 VS 測量的，采用線(xiàn)路阻抗穩定網(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 EMI 將為零。實(shí)際應用中，我們在輸入源和轉換器之間使用 π 濾波器，使傳導 EMI 在調節限值范圍之內。
傳導發(fā)射給固定系統帶來(lái)的問(wèn)題通常大于便攜式系統。由于便攜式設備使用電池工作，其負載和源沒(méi)有外部連接可供傳導發(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/或設備，引起輻射 EMI 效應。
圖 6：Buck 調節器原理簡(jiǎn)圖及其快速 di/dt 電流環(huán)路。
圖 6 所示為 buck 轉換器及其快速 di/dt 電路環(huán)路 I1 和 I2。電流環(huán)路 I1 在導通期間進(jìn)行傳導，S1 導通，S2 關(guān)斷；電流環(huán)路 I2 在關(guān)斷期間進(jìn)行傳導，S1 關(guān)斷，S2 導通。電流環(huán)路 I1 和 I2 的脈動(dòng)性質(zhì)造成磁場(chǎng)變化，場(chǎng)強與電流幅值及傳導環(huán)路的面積成比例?？焖?di/dt 電流沿產(chǎn)生高頻諧波 EMI，且在規定的輻射范圍之內。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。放慢這些信號沿將降低開(kāi)關(guān)調節器的高頻諧波成分，但較慢的跳變會(huì )因為浪費能源而影響調節器效率。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)。
電壓節點(diǎn) LX (有些廠(chǎng)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 電壓非連續信號沿通過(guò)輸出電感的寄生電容將高頻電流耦合到 CO 和負載，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)轉換器結構。但噪聲嚴重程度取決于具體結構的電流和電壓波形。例如，工作在連續傳導模式的 boost 轉換器的輸入電流比 buck 轉換器的輸入電流更連續，所以其輸入處的傳導 EMI 較小。
采取亡羊補牢的方法修正電源系統的 EMI 問(wèn)題實(shí)際上非常困難、耗費時(shí)間且代價(jià)昂貴。預先設計和規劃 EMI 合規性對于項目成功至關(guān)重要。常見(jiàn)的 EMI 抑制技術(shù)有電源濾波、電源設計、正確的 PCB 布局以及屏蔽。
EMI 電源濾波設計
為降低來(lái)自電源轉換器的傳導發(fā)射，在輸入源和電源轉換器之間使用 π 濾波器。選擇濾波器元件的設計步驟如下：
確定輸入阻抗 RIN：最差情況下，buck 轉換器的閉環(huán)輸入阻抗在所有頻率下均為 RIN = RO/D2，其中 RO為輸出負載，D 為工作占空比。轉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 評估板為例，最小輸入電壓為 7.5V。輸出負載為 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)設計 EMI 濾波器：增加輸入濾波器會(huì )影響 DC-DC 轉換器的性能。為最大程度減小這種影響，在最高達轉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換器的輸入阻抗。
圖 8. 傳導 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：
我們在設計中考慮濾波器的有效阻抗比 buck 轉換器的輸入阻抗小 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 EMI 合規性至關(guān)重要。糟糕的 PCB 布局會(huì )徹底破壞設計完美的電源轉換器。以下為好的 PCB 布局實(shí)踐，利用上例中相同的 buck 轉換器最大程度減小 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 調節器 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 轉換器的高 di/dt 電流環(huán)路。
使用法拉第屏蔽：以英國科學(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。電源系統中實(shí)施法拉第屏蔽的方法通常有兩種：
a.由導電材料(例如銅)制成的籠子，將整個(gè)電源系統或設備籠罩起來(lái)。電磁場(chǎng)維持在籠子內部。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 合規性的合理途徑，不會(huì )因為需要減慢開(kāi)關(guān)信號沿而犧牲電源轉換器效率。
現在，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 負載電流。以下為 MAX17502 EMI 評估板 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 所示為內部第二層和第三層，用于布線(xiàn)。這里的第二層用作額外屏蔽，也可用于布線(xiàn)。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)層，高 di/dt 環(huán)路布置在第三層。
以下為 MAX17502 EMI 評估板的 EMI 測試結果，以非常好的裕量通過(guò)了 CISPR 22 標準 B 類(lèi)要求。
圖 12：MAX17502 EMI 評估板傳導 EMI 測試結果。左：準峰值；右：平均值。
圖 13：MAX17502 EMI 評估板輻射 EMI 測試結果。
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，被約束在電感結構內部。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良好的 EMI 性能。
低 EMI 電源穩壓器和模塊
Maxim 的喜馬拉雅穩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(zhù)您無(wú)需擔心合規性，與市場(chǎng)上的其他單純開(kāi)關(guān)形成鮮明對比。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)標準要求。以下為 MAXM17575 例子的 EMI 測試結果以及輸入 EMI 濾波器信息：
EMI 濾波器配置 — 傳導 EMI 測試
圖14：用于傳導 EMI 試驗的 MAXM17575 評估板 EMI 濾波器配置。
圖 15：MAXM17575 評估板傳導 EMI 測試結果。藍色：準峰值；綠色：平均值
EMI 濾波器配置 — 輻射 EMI 測試
圖 16：用于輻射 EMI 試驗的 MAXM17575 評估板 EMI 濾波器配置。
MAXM17575 本質(zhì)上具有極低的輻射 EMI。對于輻射測試，傳導 EMI 測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為輻射測試提供更大的裕量。
圖 17：MAXM17575 評估板輻射 EMI 測試結果。
總結
提前規劃系統的 EMI 合規性對于項目成功至關(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)于電源濾波設計、良好 PCB 布局、屏蔽實(shí)踐的指南以及實(shí)踐示例。精心規劃的設計應使用正確的濾波器、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。
