淺談開關(guān)電源帶來電磁干擾（EMI）的問題

開關(guān)電源因具有效率高，輸出電壓可調(diào)范圍大、損耗小、體積小、重量輕而得到了廣泛的應(yīng)用。但是在使用過程中，容易帶來電磁干擾（EMI）的問題。

電磁干擾分為兩種：傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，傳導(dǎo)干擾又分為差模干擾（30MHZ 以內(nèi)）和共模干擾（30MHZ-100MHZ），主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過導(dǎo)線或公共電源線進(jìn)行傳輸，從而進(jìn)行干擾。差模干擾和共模干擾可分別使用 DM 濾波器（π型濾波電路）和 CM 濾波器（共模電感）進(jìn)行濾除，本文主要介紹對策低頻段差模干擾的器件及 PCB 布線過程中需要注意的事項(xiàng)。

1.添加傳導(dǎo)對策器件

目前，傳導(dǎo)干擾相較于輻射干擾來說，比較容易解決，一般情況下，只需要在輸入端添加π型濾波并選擇合適的濾波參數(shù)就可以通過低頻段傳導(dǎo)測試。圖 1 以 XL4013 為例，紅色框線內(nèi)元器件為π型濾波電路，用來對策傳導(dǎo)超標(biāo)

圖 2 和圖 3 是使用 XL4013（VIN=24V，輸出 12V/2A）在有無π型濾波兩種情況下測得的傳導(dǎo)數(shù)據(jù)波形，圖 2 所示是未添加π型濾波時的傳導(dǎo)測試數(shù)據(jù)，圖 3 是在圖 2 的基礎(chǔ)上添加π型濾波電路（CF=20uF（陶瓷電容），CD=220uF， LF=47uH，ESRD=0.68Ω，VIN=24V），其余條件均相同的條件下進(jìn)行傳導(dǎo)測試：

從圖 2 和圖 3 中的對比數(shù)據(jù)中可以看出，合適的π型濾波電路能夠有效抑制低頻段的傳導(dǎo)干擾。但傳導(dǎo)對策器件的選擇不能脫離實(shí)際應(yīng)用條件，對 BUCK 電路來說，CIN 為 BUCK 調(diào)整器的輸入電容容量， CIN 電容越大，EMI 越小，但 CD 電容也會增加。一般情況下，CD 電容容量選擇 2~4 倍 CIN 電容容量。

ESRD 為 CD 電容所需要的 ESR 大小，它可根據(jù) LF 與 CIN 之商的均方根來計算，即 ESRD=SQRT（LF/CIN），如果此值較小，只需要選用 ESR 較大的電容即可，如果此值過大，可以通過串聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)。

LF 為π形濾波器的電感，此電感感量通常為 1～47uH，在保證電流能力且物理尺寸允許條件下，LF 的感量盡量取大。CF 一般選用陶瓷電容（陶瓷電容抑制傳導(dǎo)干擾的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電解電容），其計算比較復(fù)雜，輸入電壓、輸出電流、工作頻率、CIN 和 LF 的不同均會影響 CF 的選擇，具體值可根據(jù)以下公式進(jìn)行計算：

其中，I、Fs 和 D 分別是 BUCK 調(diào)整器的輸出電流、開關(guān)頻率和占空比；|Att|dB 是π型濾波器在開關(guān)頻率 Fs 下所需的噪聲衰減量；CIN 是輸入電解電容容量；Vmax 是在 EMI 標(biāo)準(zhǔn)中，開關(guān)頻率 Fs 下允許的最大噪聲值；LF 是π型濾波中電感感量；CF 是π型濾波中陶瓷電容容量，取 Cfa 和 Cfb 中較大值。

2.PCB 走線注意事項(xiàng)

對于開關(guān)電源來說，輸入端通常采用電解電容與陶瓷電容組合使用（主要是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠），電解電容給芯片提供瞬態(tài)電流，陶瓷電容用來濾除輸入端高頻毛刺電壓，給芯片內(nèi)部邏輯電路提供純凈電源，因此陶瓷電容需要靠近芯片的 VIN 與 GND 引腳，并且避免通過過孔進(jìn)行連接以達(dá)到較好的濾波效果。

2.1 縮短不連續(xù)電流回路

對于 BUCK 電路來說，輸入端電流為不連續(xù)電流，變化的電流會在寄生電感上產(chǎn)生毛刺電壓，容易影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，并導(dǎo)致 IC 失效。要降低寄生電感，就要縮短電流回路長度，這就需要將輸入端電解電容兩端分別靠近芯片的 VIN 和肖特基的陽極，芯片的 SW 引腳靠近肖特基的陰極，如“圖 4”所示。這樣最大限度的降低其寄生電感，減少毛刺電壓，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并可以降低輻射 EMI。

2.2 傳導(dǎo)對策器件走線注意事項(xiàng)

π型濾波中的 CF 陶瓷電容承擔(dān)著濾除高頻干擾的重任，在進(jìn)行 PCB 設(shè)計時，需要尤其注意輸入電源線和地線連接方式，確保電源線和地線中的干擾都能唯一經(jīng)過 CF 陶瓷電容，除此之外沒有其他路徑能夠流經(jīng)，以達(dá)到抑制傳導(dǎo)干擾的最佳效果，如圖 5 所示。

為了最大限度的發(fā)揮π型濾波的作用，在樣板空間足夠大的情況下，設(shè)計 PCB 時不要大面積鋪銅（GND）包圍π型濾波器件。因?yàn)榇竺娣e鋪銅（GND）容易與輸入電源線之間形成寄生電容，這些寄生電容為高頻干擾信號提供了有效的低阻抗路徑（如圖 6 的 Cx1 和 Cx2），從而影響傳導(dǎo)對策器件的濾波效果。

審核編輯：黃飛