眾所周知，開(kāi)關(guān)電源是將功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)元件并通過(guò)周期性通斷開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)元件的占空比來(lái)調(diào)整輸出電壓。

但由于開(kāi)關(guān)電源瞬態(tài)響應(yīng)較差，易產(chǎn)生電磁干擾(EMI)信號(hào)，而這些EMI信號(hào)經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)和輻射，不僅會(huì)污染電磁環(huán)境，還會(huì)對(duì)通信設(shè)備和電子儀器造成干擾。更重要的是，隨著開(kāi)關(guān)電源的體積越來(lái)越小、功率密度越來(lái)越大，EMI控制問(wèn)題愈發(fā)成為限制其使用的關(guān)鍵因素。

EMI為何如此重要?

EMI全稱為Electro Magnetic lnterference，是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預(yù)期的電磁擾動(dòng)造成的性能損害，其產(chǎn)生的條件和傳播途徑主要由干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備三個(gè)基本要素組成。

何為干擾源?顧名思義就是產(chǎn)生電磁干擾的源頭。一般分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源，其中內(nèi)部干擾源包括開(kāi)關(guān)電路、整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)，外部干擾源包括電源干擾和雷電干擾。

那干擾源又是如何產(chǎn)生的?以開(kāi)關(guān)電路為例，開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的核心，同時(shí)也是主要干擾源之一，由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，由于開(kāi)關(guān)管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容，其產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。當(dāng)開(kāi)關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈時(shí)屬于感性負(fù)載，此時(shí)原來(lái)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢(shì)E=-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比，迭加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，從而形成傳導(dǎo)干擾。當(dāng)然不止開(kāi)關(guān)電路，上述提到的整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)等都是導(dǎo)致EMI的重要原因。

一直以來(lái)，設(shè)計(jì)中的電磁干擾(EMI)問(wèn)題十分令人頭疼，尤其是在汽車(chē)領(lǐng)域。為了盡可能的減小電磁干擾，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在設(shè)計(jì)原理圖和繪制布局時(shí)，通過(guò)降低高di / dt的環(huán)路面積以及開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速率來(lái)減小噪聲源。

但是，有時(shí)無(wú)論布局和原理圖的設(shè)計(jì)多么謹(jǐn)慎，仍然無(wú)法將傳導(dǎo)EMI降低到所需的水平。這是因?yàn)樵肼暡粌H取決于電路寄生參數(shù)，還與電流強(qiáng)度有關(guān)。另外，開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉的動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的電流，這些不連續(xù)電流會(huì)在輸入電容上產(chǎn)生電壓紋波，從而增加EMI。

因此，有必要采用一些其他方法來(lái)提高傳導(dǎo)EMI的性能。本文主要討論的是引入輸入濾波器來(lái)濾除噪聲，或增加屏蔽罩來(lái)鎖住噪聲。

圖1 EMI濾波器示意簡(jiǎn)圖

圖1是一個(gè)簡(jiǎn)化的EMI濾波器，包括共模(CM)濾波器和差模(DM)濾波器。 通常，DM濾波器主要用于濾除小于30MHz的噪聲(DM噪聲)，CM濾波器主要用于濾除30MHz至100MHz的噪聲(CM噪聲)。 但其實(shí)這兩個(gè)濾波器對(duì)于整個(gè)頻段的EMI噪聲都有一定的抑制作用。

圖2顯示了一個(gè)不帶濾波器的輸入引線噪聲，包括正向噪聲和負(fù)向噪聲，并標(biāo)注了這些噪聲的峰值水平和平均水平。 其中，該被測(cè)系統(tǒng)主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1輸出5V/5A，并給后續(xù)芯片TPS65263QRHBRQ1供電，同時(shí)輸出1.5V/3A，3.3V/2A以及1.8V/2A。 這兩個(gè)芯片都工作在2.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率下。 另外，圖中顯示的傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)是CISPR25 Class 5(C5)。有關(guān)該系統(tǒng)的更多信息，請(qǐng)查閱應(yīng)用筆記SNVA810。

圖2 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(無(wú)濾波器)

圖3顯示了增加一個(gè)DM濾波器后的EMI結(jié)果。 從圖中可以看出，DM濾波器衰減了中頻段DM噪聲(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高頻段噪聲(30MHz至100MHz)也有所降低，但仍超過(guò)限制水平。這主要是因?yàn)镈M濾波器對(duì)于高頻段CM噪聲的濾除能力有限。

圖3 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶DM濾波器)

圖4顯示了增加CM和DM濾波器后的噪聲特性。 與圖3相比，CM濾波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪聲。 并且EMI性能也通過(guò)了CISPR25 C5標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶CM和DM濾波器)

圖5顯示了不同布局下帶CM和DM濾波器的噪聲特性，其中濾波器與圖4相同。但與圖4相比，整個(gè)頻段的噪聲增加了大約10dBμV/ m，高頻噪聲甚至還超出CISPR25 C5標(biāo)準(zhǔn)的平均值。

圖5 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶CM和DM濾波器，不同布局)

圖4和圖5之間噪聲結(jié)果的不同主要是由于PCB布線差異所致，如圖6所示。圖5的布線中(圖6的右側(cè))，大面積覆銅(GND)包圍著DM濾波器，并和Vin走線形成了一些寄生電容。 這些寄生電容為高頻信號(hào)旁路濾波器提供了有效的低阻抗路徑。 因此，為了*大限度地提高濾波器的性能，需要移除濾波器周?chē)械母层~，如圖6左側(cè)的布線。

圖6 不同的PCB布線

除了增加濾波器外，另一種優(yōu)化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。 這是因?yàn)檫B接著GND的金屬屏蔽罩可以阻止噪聲向外輻射。 圖7推薦了一種屏蔽罩的擺放方法。該屏蔽罩恰好覆蓋了板上所有的元器件。

圖8顯示了增加濾波器和屏蔽罩之后的EMI結(jié)果。 如圖所示，整個(gè)頻段的噪聲幾乎都被屏蔽罩消除，EMI性能非常好。 這主要是因?yàn)榈刃樘炀€的長(zhǎng)輸入引線會(huì)耦合大量輻射噪聲，而屏蔽罩恰好隔絕了它們。在本設(shè)計(jì)中，中頻噪聲也會(huì)采用這種方式耦合到輸入引線上。

圖7 帶屏蔽罩的PCB 3D模型

圖8 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶CM，DM濾波器以及屏蔽罩)

圖9也顯示了帶濾波器和屏蔽罩的噪聲特性。與圖8 不同的是，圖9中屏蔽罩是一個(gè)金屬盒，它包裹了整個(gè)電路板，且只有輸入引線裸露在外面。 雖然有了這個(gè)屏蔽罩，但一些輻射噪聲仍然可以繞過(guò)EMI濾波器并耦合到PCB上的電源線，這將會(huì)導(dǎo)致比圖8更差的噪聲特性。有趣的是，圖4，圖8和圖9中(相同的布局布線)高頻帶的噪聲特性幾乎相同。 這是因?yàn)樵谠黾覧MI濾波器后，能耦合到輸入線上的高頻段輻射噪聲幾乎已經(jīng)不存在了。

任何的導(dǎo)體在測(cè)試EMI時(shí)都會(huì)有天線效應(yīng)，因此建議使用客戶量產(chǎn)所用的線材，包括輸入線材與輸出線材(不同的線材會(huì)有些許的差異)，而散熱片一般會(huì)下地(或一參考電位)，外面有鋁殼或金屬導(dǎo)體時(shí)也要下地，避免導(dǎo)體因電場(chǎng)或磁場(chǎng)效應(yīng)而產(chǎn)生干擾，成品的組件組裝上也需注意是否有遠(yuǎn)離干擾源，任何導(dǎo)體經(jīng)過(guò)磁性組件周邊時(shí)也要注意磁性組件漏磁通所帶來(lái)的干擾。

現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)通常在開(kāi)關(guān)模式下工作，產(chǎn)生了較大的電磁干擾(EMI)，EMI問(wèn)題一直是電力電子工程師頭疼的問(wèn)題，解決EMI問(wèn)題是一項(xiàng)既困難又耗時(shí)的工作，本文將介紹EMI是如何產(chǎn)生、傳播以及如何優(yōu)化解決。

常見(jiàn)縮略語(yǔ)：

● EMC(Electromagnetic Compatibility)：電磁兼容性

● EMI(Electromagnetic Interference)：電磁干擾

● EMS(Electromagnetic Susceptibility)：電磁抗擾度

● IEC(International Electrotechnical Commission)：國(guó)際電工委員會(huì)

● FCC(Federal Communication Commission)：美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)

● CISPR：國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)

● CE：字母“CE”是法文句子的縮寫(xiě)，意指歐盟

● CCC(China Compulsory Certificate)：中國(guó)強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證制度，又稱3C認(rèn)證。

電磁兼容性(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾能力，電磁兼容(EMC)包含電磁干擾(EMI)和電磁抗擾度(EMS)。