降低EMI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)符合CISPR 22標(biāo)準(zhǔn)的電源解決方案

系統(tǒng)工程師擔(dān)心在產(chǎn)品開發(fā)周期結(jié)束時無法通過電磁干擾 （EMI） 一致性測試的前景。如果發(fā)生這種情況，可能會導(dǎo)致產(chǎn)品運(yùn)輸計(jì)劃受到重大挫折，還可能引發(fā)昂貴的總功率重新設(shè)計(jì)。本應(yīng)用筆記探討了如何使用精心規(guī)劃的電源解決方案設(shè)計(jì)，利用適當(dāng)?shù)?a href="http://ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器、低EMI元件、低EMI功率穩(wěn)壓器IC和/或低EMI功率模塊，以及良好的PCB布局和屏蔽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一次通過EMI的成功。

了解 EMI 噪聲

當(dāng)電子設(shè)備連接到另一個產(chǎn)生電磁干擾 （EMI） 的電子設(shè)備、與另一個電子設(shè)備共享同一電源或靠近另一個電子設(shè)備時，EMI 可能會中斷設(shè)備的運(yùn)行。EMI是傳導(dǎo)或輻射的，與EMI相關(guān)的問題會阻止相鄰的電子設(shè)備彼此并排工作。

EMI有許多常見的例子：

來自微波爐的干擾會影響附近的 Wi-Fi? 信號

發(fā)射器會妨礙當(dāng)?shù)仉娨暸_顯示圖片，導(dǎo)致整個畫面消失或畫面圖案化

手機(jī)與通信塔握手以處理呼叫可能會導(dǎo)致干擾，這就是為什么客機(jī)要求乘客在飛行期間關(guān)閉手機(jī)的原因

低空飛行的飛機(jī)會干擾收音機(jī)或電視上的音頻/視頻信號

鑒于電子設(shè)備在我們生活中的普及，電磁兼容性（EMC）問題已成為一個重要的話題。因此，出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，以確保電子設(shè)備的正常運(yùn)行，即使有EMI，就可以在幾乎任何電子設(shè)備附近操作手機(jī)和其他無線設(shè)備，而幾乎沒有影響。設(shè)計(jì)人員已采取措施確保設(shè)備不會輻射不必要的輻射，并使設(shè)備不易受到射頻輻射的影響。

根據(jù) EMI 規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)

CISPR 22 EMI 規(guī)范（在歐洲通常稱為 EN55022）將設(shè)備、設(shè)備和裝置分為兩類：

B類：打算在家庭環(huán)境中使用并符合CISPR 22 B類排放要求的設(shè)備，裝置和裝置。

A 類：不符合 CISPR 22 B 類排放要求但符合不太嚴(yán)格的 CISPR 22 A 類排放要求的設(shè)備、裝置和裝置。A 類設(shè)備必須具有以下警告：“這是 A 類產(chǎn)品。在家庭環(huán)境中，本產(chǎn)品可能會造成無線電干擾，在這種情況下，可能需要用戶采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

表 1、表 2、表 3 和表 4 顯示了 CISPR 22 規(guī)范。

EMI測試包括傳導(dǎo)和輻射發(fā)射測試。傳導(dǎo)發(fā)射測試在150kHz至30MHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行，這是交流電流傳導(dǎo)到線路源的地方，并使用兩種方法進(jìn)行測量：準(zhǔn)峰值和平均值。每種方法都有自己的限制。

輻射發(fā)射測試在30MHz至1GHz的較高射頻范圍內(nèi)進(jìn)行。此范圍是被測設(shè)備 （DUT） 的輻射磁場。1GHz的測試上限適用于內(nèi)部振蕩器頻率高達(dá)108MHz的DUT。表5列出了擴(kuò)展的上限范圍，這些范圍取決于最大內(nèi)部振蕩器頻率。

表 1.CISPR 22 B 類傳導(dǎo)電磁干擾規(guī)范

表 2.CISPR 22 A 類傳導(dǎo) EMI 規(guī)范

表 3.CISPR 22 B 類輻射 EMI 規(guī)范

表 4.CISPR 22 A 類輻射電磁干擾

表 5.具有 DUT 內(nèi)部振蕩器頻率的擴(kuò)展測試上限范圍

開關(guān)電源：噪聲源在哪里？

開關(guān)電源會產(chǎn)生電磁能量和噪聲，并受到外部侵略者電磁噪聲的影響。開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲可以是傳導(dǎo)或輻射發(fā)射的形式。傳導(dǎo)發(fā)射可以采用電壓或電流的形式，每種形式都可以分為共模或差模。此外，連接線的有限阻抗使電壓傳導(dǎo)能夠引起電流傳導(dǎo)，反之亦然，差模傳導(dǎo)會導(dǎo)致共模傳導(dǎo)，反之亦然。

為了更詳細(xì)地了解開關(guān)電源中的噪聲源，圖1給出了簡化的降壓穩(wěn)壓器原理圖。

圖1.簡化的降壓穩(wěn)壓器原理圖。

傳導(dǎo)電磁干擾

如圖1所示，輸入電流（I我） 是脈沖波形，它是傳導(dǎo)、差分 EMI 注入電源的主要來源 （VS).傳導(dǎo)輻射主要由轉(zhuǎn)換器輸入端快速變化的電流形狀（di/dt）驅(qū)動。傳導(dǎo)輻射值以轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓（VS） 使用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) （LISN）。輸入電容（C我） 濾除交流（脈沖）分量。凈電流（IS） 是 I 之間的差值我和我詞.我S必須是直流或盡可能平滑。如果 C我是具有無限電容的理想電容器，它將保持V我恒定且有效地過濾掉I 的所有交流組件1，留下恒定 （DC） 電流從源極 V 流出S以及源阻抗兩端的恒定直流壓降（RS).在這種情況下，傳導(dǎo)EMI為零，因?yàn)镮S是直流電流。實(shí)際上，在輸入源和轉(zhuǎn)換器之間使用π濾波器，以將傳導(dǎo)EMI控制在監(jiān)管限值內(nèi)。

與便攜式系統(tǒng)相比，傳導(dǎo)發(fā)射通常會給固定系統(tǒng)帶來更大的問題。由于便攜式設(shè)備使用電池供電，因此負(fù)載和電源沒有用于傳導(dǎo)發(fā)射的外部連接。

輻射電磁干擾

輻射EMI是快速變化的磁場，其高頻含量為30MHz及以上。磁場由電路的電流環(huán)路產(chǎn)生。這些磁場的變化，如果沒有適當(dāng)?shù)臑V波或屏蔽，可能會耦合到附近的其他電路和/或設(shè)備中，并導(dǎo)致輻射EMI效應(yīng)。

圖2.簡化的降壓穩(wěn)壓器原理圖及其快速di/dt電流環(huán)路。

圖2所示為具有快速di/dt電流環(huán)路I的降壓轉(zhuǎn)換器1和我2.電流回路I1在 S 的導(dǎo)通時間進(jìn)行1打開且 S2已關(guān)閉。電流回路I2在休息時間進(jìn)行，當(dāng) S1關(guān)閉且 S2已打開。電流環(huán)路的脈動性質(zhì) I1和我2引起磁場的變化，其磁場強(qiáng)度與電流大小和傳導(dǎo)回路面積的變化成正比?？焖賒i/dt電流邊沿在調(diào)節(jié)輻射范圍內(nèi)產(chǎn)生高頻諧波和EMI。保持這些電流環(huán)路的面積小可以最大限度地降低場強(qiáng)。減慢這些邊沿會降低開關(guān)穩(wěn)壓器的高頻諧波含量，但由于能量浪費(fèi)，緩慢的轉(zhuǎn)換會影響穩(wěn)壓器的效率。本應(yīng)用筆記介紹了在不影響效率的情況下將EMI輻射降至最低的技術(shù)。

圖3.電流環(huán)路產(chǎn)生的磁場。

電壓節(jié)點(diǎn)LX（也被一些供應(yīng)商稱為SW等其他名稱）是連接到電感器的矩形波（暫時忽略寄生振鈴）。Fast LX的dv/dt電壓不連續(xù)邊沿通過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。最小化輸出電感的寄生電容可以減少這種噪聲耦合問題。LX還具有高頻寄生振鈴，可以通過使用從LX到GND的RC緩沖器網(wǎng)絡(luò)來減少。

上述EMI噪聲源的相同原理也適用于其他開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹５?，噪聲的?yán)重性取決于特定拓?fù)涞碾娏骱碗妷翰ㄐ巍？紤]在連續(xù)導(dǎo)通模式下運(yùn)行的升壓轉(zhuǎn)換器。在這種情況下，轉(zhuǎn)換器的輸入端具有較少的傳導(dǎo)EMI分量，因?yàn)榕c降壓轉(zhuǎn)換器相比，輸入電流更連續(xù)。

在設(shè)計(jì)過程中預(yù)先設(shè)計(jì)和規(guī)劃EMI合規(guī)性對于項(xiàng)目成功至關(guān)重要。在游戲后期這樣做會使該過程具有挑戰(zhàn)性、耗時且成本高昂。線路濾波、電源設(shè)計(jì)、適當(dāng)?shù)腜CB布局和屏蔽是將EMI降至最低的一些常用技術(shù)。

設(shè)計(jì) EMI 線路濾波

輸入源和電源轉(zhuǎn)換器之間的π濾波器可降低功率轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)輻射。通過執(zhí)行步驟選擇篩選器組件，如下所示：

1. 確定輸入阻抗R在.降壓轉(zhuǎn)換器的最差情況下閉環(huán)輸入阻抗為R在= RO/D2對于所有頻率，其中 RO是輸出負(fù)載，D是工作占空比。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在最小輸入電源電壓下工作時，會出現(xiàn)最小輸入阻抗。

示例：考慮Maxim的喜馬拉雅SiP電源模塊之一MAXM17575，4.5V在至 60V在， 0.9V外至 54V外可提供高達(dá) 1.5A 的電流。以MAXM17575評估板（EV kit）為例，最小輸入電壓為7.5V。輸出負(fù)載為 Rο = Vο/Iο = 5V/1.5A = 3.3Ω。最大工作占空比為 D = Vο/V英敏= 5V/7.5V = 0.66。因此，可能的最小輸入阻抗為 R在= Rο/D2= 3.3Ω /0.662= 7.6Ω.

2. 設(shè)計(jì)輸出阻抗≤比R低10db的EMI濾波器在.增加輸入濾波器會影響DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能。為了將影響降至最低，濾波器的輸出阻抗必須始終小于功率轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，直至轉(zhuǎn)換器的交越頻率。

圖4.傳導(dǎo)EMI輸入濾波器，插入輸入和電源模塊之間。

LC濾波器在其諧振頻率（最高值）下的輸出阻抗如下：

濾波器的有效阻抗比降壓轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗小10dB，大約等于輸入阻抗的三分之一。對于MAXM17575示例，所需的Zο為≤R在/3 = 7.6/3 = 2.5Ω，所有頻率最高可達(dá)MAXM17575電路的交越頻率，即45kHz。

設(shè)計(jì) PCB 布局以實(shí)現(xiàn) EMI 合規(guī)性

PCB布局對EMI合規(guī)性有重大影響。糟糕的PCB布局可能會破壞具有完美電氣設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換器。基于相同的降壓轉(zhuǎn)換器示例，以下是PCB布局的一些最佳實(shí)踐，以最大程度地減少EMI噪聲源：

最小化高di/dt電流環(huán)路。

正確放置 Lο、Cο 和 S2靠近在一起以最小化 I2電流環(huán)路。

將整組組件靠近 S 放置1和 C1以最小化 I1電流環(huán)路。

使用法拉第盾牌。法拉第屏蔽或籠子是用于阻擋電磁場的外殼。在電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)法拉第屏蔽有兩種常見的方法。

由導(dǎo)電材料（如銅）制成的籠子，用于包圍整個電力系統(tǒng)或設(shè)備。電磁場包含在籠子內(nèi)。然而，這種方法通常很昂貴，因?yàn)楸３旨懿牧虾皖~外的裝配勞動力的成本。

PCB頂部和底部都有屏蔽接地層的布局，通過通孔連接，以模仿法拉第籠。所有高di/dt回路都放置在PCB的內(nèi)層，以便我們的法拉第籠屏蔽磁場向外輻射。如圖6所示，這種方法成本較低，通常足以控制EMI。

遵循這些PCB布局最佳實(shí)踐提供了一種合理的方法，可以實(shí)現(xiàn)EMI法規(guī)遵從性，而不會因降低開關(guān)邊沿而降低功率轉(zhuǎn)換器效率。

考慮Maxim的喜馬拉雅寬輸入IC，MAX17502，工作在4.5V電壓在至 60V在， 0.9V外至 54V外提供 1A 電流。以下是MAX17502 EMI評估板PCB布局，采用法拉第屏蔽技術(shù)（b）。圖7a顯示了用作法拉第屏蔽的頂層和底層。圖 7b 顯示了用于路由的第二層和第三層內(nèi)層。第二層用作額外的屏蔽，但也可用于路由跟蹤。在這種布局中，高di/dt電流環(huán)路I1和我2在第三層布線，該層完全封閉在我們的法拉第盾中。

圖 7a.頂層和底層用作法拉第盾牌。

圖 7b.第二層和第三層（內(nèi)部），在第三層路由高di/dt環(huán)路。

圖8和圖9所示為MAX17502 EMI評估板的EMI測試結(jié)果，該評估板通過CISPR 22 B類認(rèn)證，裕量良好。

圖8.MAX17502 EMI評估板傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果。左：準(zhǔn)峰值，右：平均。

圖9.MAX17502 EMI評估板輻射EMI測試結(jié)果。

具有低 EMI 的功率組件

由于來自輸出電感器的磁場也會輻射并導(dǎo)致EMI問題，因此使用低EMI電感可降低輻射EMI。建議使用屏蔽電感器，因?yàn)榇艌鍪瞧帘蔚模⑶野陔姼衅鹘Y(jié)構(gòu)內(nèi)。避免使用磁能可以自由輻射的電感器類型。使用屏蔽電感器并采用良好PCB布局實(shí)踐的功率模塊表現(xiàn)出良好的EMI性能。

低 EMI 功率穩(wěn)壓器和模塊

Maxim的喜馬拉雅穩(wěn)壓器和功率模塊系列采用低EMI功率電感和良好的PCB布局實(shí)踐，提供固有的低EMI電源解決方案。與市場上其他簡單的切換臺不同，使用 Himalaya 解決方案意味著您無需擔(dān)心合規(guī)性。Maxim已完成IC、模塊和示例參考布局的所有工作，因此您可以以最佳成本通過CISPR 22（EN 55022）。下面顯示了示例MAXM17575的EMI測試結(jié)果以及輸入EMI濾波器信息：

表 6.MAXM17575的電磁干擾測試結(jié)果

EMI 濾波器配置 ? 傳導(dǎo) EMI 測試

圖 10.MAXM17575評估板EMI濾波器配置，用于傳導(dǎo)EMI測試。

表 7.用于傳導(dǎo)測試結(jié)果的濾波器組件

圖 11.MAXM17575評估板傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果。藍(lán)色：準(zhǔn)峰值，綠色：平均。

EMI 濾波器配置 ? 輻射 EMI 測試

圖 12.MAXM17575評估板EMI濾波器配置，用于輻射EMI測試。

MAXM17575具有極低的輻射EMI。所示的傳導(dǎo)EMI測試輸入濾波器不是必需的，也不用于輻射測試。使用輸入濾波器可為輻射測試結(jié)果提供額外的通過裕量。

表 8.用于輻射測試結(jié)果的濾波組件

圖 13.MAXM17575評估板輻射EMI測試結(jié)果。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)周期的最早階段解決設(shè)計(jì)的EMI合規(guī)性對于項(xiàng)目成功至關(guān)重要。本應(yīng)用筆記介紹了最大限度降低EMI的常用技術(shù)，以及線路濾波設(shè)計(jì)、良好PCB布局和屏蔽實(shí)踐的指南和示例。使用適當(dāng)?shù)臑V波器（低EMI PMIC、元件和/或電源模塊）和良好的PCB布局技術(shù)和屏蔽來應(yīng)用精心規(guī)劃的設(shè)計(jì)，可以讓您走上正確的軌道，實(shí)現(xiàn)一次通過的成功。

審核編輯：郭婷