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第1部分 — 規(guī)范與測(cè)量
簡(jiǎn)介
多數(shù)電源應(yīng)用必須減少電磁干擾 (EMI) 以滿足相關(guān)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須嘗試各種方法來(lái)減少傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。
電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性（例如，針對(duì)多媒體設(shè)備的 CISPR 32，針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的 CISPR 25）是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本和上市時(shí)間息息相關(guān)。
對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，雖然采用開(kāi)關(guān)更快的電源器件可以提升開(kāi)關(guān)頻率并縮小尺寸，但在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電壓和電流轉(zhuǎn)換率（dv/dt 和 di/dt）有所提升，通常引起 EMI 加劇，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。
例如，氮化鎵 (GaN) 電源器件的開(kāi)關(guān)速度極快，導(dǎo)致高頻條件下的 EMI 增加 10dB。EMI 濾波器是電力電子系統(tǒng)不可或缺的組成部分，在總體積和總重量方面占比相對(duì)較大。因此，必須非常關(guān)注系統(tǒng)的 EMI 降噪和抑制，不僅要滿足 EMC 規(guī)范，還需降低解決方案成本并提高系統(tǒng)功率密度。
本文是 EMI 系列文章的第一部分，回顧了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量技術(shù)，主要側(cè)重于傳導(dǎo)發(fā)射。表 1 列出了與 EMI 有關(guān)的常用縮寫(xiě)和命名法。
表 1：與 EMI 和 EMC 相關(guān)的常見(jiàn)縮略語(yǔ)、縮寫(xiě)和單位
EMC?監(jiān)管規(guī)范
EMC 指系統(tǒng)或內(nèi)含元器件在其電磁環(huán)境中按要求運(yùn)行，不會(huì)對(duì)環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生超出容限的電磁干擾的能力。此類(lèi)干擾可能造成嚴(yán)重后果，因此各種國(guó)內(nèi)和國(guó)際監(jiān)管規(guī)范中均設(shè)立了 EMC 條款。
在歐盟區(qū)域內(nèi)，通信市場(chǎng)銷(xiāo)售的電源產(chǎn)品多年來(lái)通常采用 EN 55022/CISPR 22 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，從而在傳導(dǎo)和輻射發(fā)射兩方面滿足合規(guī)性要求，歐盟之外參照此標(biāo)準(zhǔn)的電源產(chǎn)品使用 CE 符合性聲明 (DoC)，滿足歐盟 EMC 指令 2014/30/EU 的合規(guī)性。
針對(duì)北美市場(chǎng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合 FCC 第 15 部分 的限值。IEC 61000-6-3 和 IEC 61000-6-4 通用 EMC 標(biāo)準(zhǔn)分別適用于輕工業(yè)和工業(yè)環(huán)境。
然而，在輻射方面，EN 55032 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已取代 EN 55022 (ITE)、EN 55013（廣播接收器和相關(guān)設(shè)備）和 EN 55103-1（音視頻設(shè)備）。這一新標(biāo)準(zhǔn)正式成為符合 EMC 指令的統(tǒng)一輻射標(biāo)準(zhǔn) [8]。更具體地說(shuō)，之前根據(jù) EN 55022 進(jìn)行測(cè)試并在 2017 年 3 月 2 日后運(yùn)往歐盟的所有產(chǎn)品，必須符合 EN 55032 的要求。
隨著 EN 55022 標(biāo)準(zhǔn)撤銷(xiāo)并由 EN 55032 取代，電源制造商和供應(yīng)商需要按照新標(biāo)準(zhǔn)更新其 DoC 證書(shū)，從而合法地使用 CE 認(rèn)證徽標(biāo)。圖 1 顯示了在 150kHz 至 30MHz 的適用頻率范圍內(nèi)，使用準(zhǔn)峰值 (QP) 和平均值 (AVG) 信號(hào)檢測(cè)器進(jìn)行的傳導(dǎo)發(fā)射的 EN 55022/32 A 類(lèi)和 B 類(lèi)限值。
圖 1：使用準(zhǔn)峰值和平均值檢測(cè)器的 EN 55022 A 類(lèi)和 B 類(lèi)傳導(dǎo)發(fā)射限值
對(duì)于汽車(chē)終端設(shè)備，未來(lái) EMC 合規(guī)性的主要推動(dòng)力無(wú)疑來(lái)自于通過(guò)車(chē)輛間通信支持的自主車(chē)輛。針對(duì)“板載接收器保護(hù)”的 CISPR 25 規(guī)范已針對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射設(shè)置了嚴(yán)格的限制，在 FM 頻帶（76MHz 至 108MHz）的限制尤為嚴(yán)格。
從監(jiān)管角度而言，UNECE 10 號(hào)法規(guī)在 2014 年 11 月取代了歐盟的汽車(chē) EMC 指令 2004/104/EC，其中要求制造商必須取得所有車(chē)輛、電子元器件 (ESA)、元器件和獨(dú)立技術(shù)單元的型式認(rèn)證。
CISPR 25 測(cè)試的傳導(dǎo)發(fā)射均在 150kHz 至 108MHz 頻率范圍的特定頻帶內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。具體而言，調(diào)節(jié)頻率范圍分布在 AM 廣播、FM 廣播和移動(dòng)服務(wù)頻帶之間，如圖 2 中的圖象和表格所示。圖 2 還繪制了 CISPR 25 5 類(lèi)（最嚴(yán)苛的要求）的相關(guān)限值圖象。盡管頻帶之間的帶隙允許更高的噪聲尖峰，但汽車(chē)制造商可能會(huì)根據(jù)其特定的內(nèi)部 EMC 要求選擇擴(kuò)展這些頻率范圍。這些要求通?；趪?guó)際 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，僅更改不同測(cè)試或限值的少量參數(shù)，其核心內(nèi)容保持不變。
圖 2：CISPR 25 5 類(lèi)傳導(dǎo)發(fā)射限值
為了應(yīng)對(duì) CISPR 25 限值帶來(lái)的挑戰(zhàn)，尤其是 FM 頻帶方面，請(qǐng)注意，50Ω 測(cè)量電阻產(chǎn)生的 18dBμV 對(duì)應(yīng)的噪聲電流僅為 159nA。
測(cè)量傳導(dǎo)?EMI
LISN 測(cè)量 EUT 產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射。它是插入 EMI 源和電源之間測(cè)量點(diǎn)的接口，確保 EMI 測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性和可比較性。圖 3 所示為根據(jù) CISPR 16-1-2或 ANSI C63.4。標(biāo)準(zhǔn)定義的標(biāo)準(zhǔn) 50μH LISN 的功能等效電路（并非完整原理圖）。
LISN 提供：
在給定頻率范圍內(nèi)，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的穩(wěn)定信號(hào)源阻抗。
在該頻率范圍內(nèi)，將 EUT 和測(cè)量設(shè)備與輸入電源隔離。
與測(cè)量設(shè)備建立安全適用的連接。
單獨(dú)測(cè)量?jī)蓷l線路的總噪聲級(jí)別，圖 3 中以 L 和 N 表示。
圖 3：使用 V 型 LISN 進(jìn)行的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量 簡(jiǎn)而言之，使用信號(hào)源阻抗已知的預(yù)定義測(cè)試方案能夠獲得可重復(fù)性結(jié)果。注：LISN 可能包含一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立 LISN 電路。 LISN 的實(shí)質(zhì)是 pi 濾波器網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)低通電感-電容 (LC) 濾波器，EUT 與輸入電源線 L 和 N 相連，如圖 3 所示。LISN 電感值基于在產(chǎn)品理想安裝狀態(tài)下，電源線的預(yù)期電感。 CISPR 16 和 ANSI C63.4 為 LISN 指定了一個(gè) 50μH 電感，該值與電信設(shè)備中約 50 米的配電布線系統(tǒng)的電感相符。相反，CISPR 25 指定 5μH LISN，與汽車(chē)線束的近似電感相對(duì)應(yīng)。? LISN 為噪聲發(fā)射信號(hào)提供明確定義的阻抗。LISN 制造商通常提供校準(zhǔn)曲線，指示特定測(cè)量頻率范圍內(nèi)的標(biāo)稱(chēng)阻抗。根據(jù) CISPR 16-1-2，允許的容差是 ±20% 的幅值和 ±11.5° 的相位。 對(duì)于使用 EMI 接收器或頻譜分析儀進(jìn)行的測(cè)量，噪聲信號(hào)可通過(guò)高通濾波器網(wǎng)絡(luò)（如圖 3 所示）獲得，該網(wǎng)絡(luò)的耦合電容為 0.1μF，放電電阻為 1kΩ，測(cè)量端口的端接電阻為 ?50Ω 。圖 4 顯示了在 150kHz 至 30MHz 的頻率范圍，(50μH + 5Ω) || 50Ω LISN 的模擬阻抗圖。
圖 4：在 150kHz 至 30MHz 的調(diào)節(jié)頻率范圍內(nèi)，測(cè)量端口處的 50Ω，50μH LISN 標(biāo)稱(chēng)阻抗特性 針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的?CISPR 25?測(cè)試裝置 圖 5 顯示了 CISPR 25 推薦的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試裝置。該標(biāo)準(zhǔn)定義了待測(cè)系統(tǒng)的處理方式以及測(cè)量方案和設(shè)備。根據(jù) CISPR 25 規(guī)范，LISN 在此處指定為 AN。當(dāng)汽車(chē)功率回流線超過(guò) 200mm 時(shí)，EUT 遠(yuǎn)程接地，需要兩個(gè) AN：二者分別用于正電源線和功率回流線。相反，如果汽車(chē)功率回流線不超過(guò) 200mm，則 EUT 本地接地，只需將一個(gè) AN 應(yīng)用于正電源。 AN 直接安裝在基準(zhǔn)接地平面之上，AN 外殼與接地平面相連。電源回流線還與電源和 AN 之間的接地平面相連。將 EMI 接收器連接到相應(yīng) AN 的測(cè)量端口可確保成功測(cè)量每條電源線上的傳導(dǎo)發(fā)射。與此同時(shí)，插入另一條電源線的 AN 的測(cè)量端口端接 50Ω 負(fù)載。
圖 5：CISPR 25 傳導(dǎo) EMI 測(cè)試方案（電壓法）概述 圖 6 顯示了用于預(yù)合規(guī)測(cè)試的 CISPR 25 傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)室 [11]。LISN 是右側(cè)的藍(lán)色箱體，鋰離子汽車(chē)電池位于其后，DUT 位于左側(cè)的絕緣材料上。為了在特定電源電壓下（例如 13.5V）進(jìn)行測(cè)試，使用可變電壓源從試驗(yàn)室外部通過(guò)隔板饋電。結(jié)果通過(guò)各自的 LISN 在線路端（熱回路）和返回端（接地）獲取。
圖 6：使用兩個(gè)單極 LISN 和銅箔接地平面的 CISPR 25 傳導(dǎo) EMI 測(cè)試裝置 圖 7 顯示了典型的 CISPR 25 傳導(dǎo) EMI 掃描結(jié)果，黃色和藍(lán)色分別表示峰值和平均測(cè)量值。我們可以看到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器安靜地運(yùn)行，傳導(dǎo)發(fā)射遠(yuǎn)低于嚴(yán)格的 5 類(lèi)限值。這種測(cè)量技術(shù)在 30MHz 以上發(fā)生改變，因?yàn)?EMI 接收器的 RBW 從 9kHz 調(diào)整為 120kHz，可能導(dǎo)致測(cè)量噪底發(fā)生變化。
圖 7：典型的 CISPR 25 傳導(dǎo) EMI 測(cè)量 總結(jié) 有意或者無(wú)意產(chǎn)生的電磁能量均對(duì)其他設(shè)備造成電磁干擾。商業(yè)產(chǎn)品需要在正常運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生的電磁能量降至最低水平。 世界各地的許多管理機(jī)構(gòu)均對(duì)允許最終產(chǎn)品產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射 EMI 的等級(jí)進(jìn)行了規(guī)定。采用適用的測(cè)量技術(shù)可以定量分析此類(lèi)發(fā)射，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧┓戏ㄒ?guī)的合規(guī)性。 EMC 要求通常事關(guān)在 AC 電源線（和信號(hào)線）所測(cè)量系統(tǒng)的整體情況，而 DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為子元器件，并沒(méi)有具體的 EMC 限值。然而，用戶(hù)可以執(zhí)行預(yù)合規(guī)性測(cè)試，確定 EMI 是否造成不良影響。
第 2 部分 — 噪聲傳播和濾
簡(jiǎn)介 高開(kāi)關(guān)頻率是在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展過(guò)程中促進(jìn)尺寸減小的主要因素。為了符合相關(guān)法規(guī)，通常需要采用電磁干擾 (EMI) 濾波器，而該濾波器通常在系統(tǒng)總體尺寸和體積中占據(jù)很大一部分，因此了解高頻轉(zhuǎn)換器的 EMI 特性至關(guān)重要。 在本系列文章的第 2 部分，您將了解差模 (DM) 和共模 (CM) 傳導(dǎo)發(fā)射噪聲分量的噪聲源和傳播路徑，從而深入了解 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo) EMI 特性。本部分將介紹如何從總噪聲測(cè)量結(jié)果中分離出 DM/CM 噪聲，并將以升壓轉(zhuǎn)換器為例，重點(diǎn)介紹適用于汽車(chē)應(yīng)用的主要 CM 噪聲傳導(dǎo)路徑。 DM?和?CM?傳導(dǎo)干擾 DM 和 CM 信號(hào)代表兩種形式的傳導(dǎo)發(fā)射。DM 電流通常稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)模式信號(hào)或橫向信號(hào)，而 CM 電流通常稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)模式信號(hào)或縱向信號(hào)。圖 1 顯示了同步降壓和升壓 DC/DC 拓?fù)渲械?DM 和 CM 電流路徑。Y 電容 CY1?和 CY2?分別從正負(fù)電源線連接到 GND，輕松形成了完整的 CM 電流傳播路徑。
圖 1：同步降壓 (a) 和升壓 (b) 轉(zhuǎn)換器 DM 和 CM 傳導(dǎo)噪聲路徑 DM?傳導(dǎo)噪聲 DM 噪聲電流 (IDM) 由轉(zhuǎn)換器固有開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生，并在正負(fù)電源線 L1 和 L2 中以相反方向流動(dòng)。DM 傳導(dǎo)發(fā)射為“電流驅(qū)動(dòng)型”，與開(kāi)關(guān)電流 (di/dt)、磁場(chǎng)和低阻抗相關(guān)。DM 噪聲通常在較小的回路區(qū)域流動(dòng)，返回路徑封閉且緊湊。 例如，在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下，降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生一種梯形電流，且這種電流中諧波比較多。這些諧波在電源線上會(huì)表現(xiàn)為噪聲。降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容（圖 1 中的 CIN）有助于濾除這些高階電流諧波，但由于電容的非理想寄生特性（等效串聯(lián)電感 (ESL) 和等效串聯(lián)電阻 (ESR)），有些諧波難免會(huì)以 DM 噪聲形式出現(xiàn)在電源電流中，即使在添加實(shí)用的 EMI 輸入濾波器級(jí)之后也于事無(wú)補(bǔ)。 CM?傳導(dǎo)噪聲 另一方面，CM 噪聲電流 (ICM) 會(huì)流入接地 GND 線并通過(guò) L1 和 L2 電源線返回。CM 傳導(dǎo)發(fā)射為“電壓驅(qū)動(dòng)型”，與高轉(zhuǎn)換率電壓 (dv/dt)、電場(chǎng)和高阻抗相關(guān)。在非隔離式 DC/DC 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中，由于 SW 節(jié)點(diǎn)處的 dv/dt 較高，產(chǎn)生了 CM 噪聲，從而導(dǎo)致產(chǎn)生位移電流。該電流通過(guò)與 MOSFET 外殼、散熱器和 SW 節(jié)點(diǎn)走線相關(guān)的寄生電容耦合到 GND 系統(tǒng)。與轉(zhuǎn)換器輸入或輸出端的接線較長(zhǎng)相關(guān)的耦合電容也可能構(gòu)成 CM 噪聲路徑。 圖 1 中的 CM 電流通過(guò)輸入 EMI 濾波器的 Y 電容（CY1?和 CY2）返回。另一條返回路徑為，通過(guò) LISN 裝置（在本系列文章的第 1 部分中討論過(guò)）的 50Ω 測(cè)量阻抗返回，這顯然是不合需要的。盡管 CM 電流的幅值遠(yuǎn)小于 DM 電流，但相對(duì)來(lái)說(shuō)更難以處理，因?yàn)樗ǔＴ谳^大的傳導(dǎo)回路區(qū)域流動(dòng)，如同天線一般，可能增加輻射 EMI。 圖 2 顯示了 Fly-Buck（隔離式降壓）轉(zhuǎn)換器的 DM 和 CM 傳導(dǎo)路徑。CM 電流通過(guò)變壓器 T1?的集總繞組間電容（圖 2 中的 CPS）流到二次側(cè)，并通過(guò)接地 GND 連接返回。圖 2 還顯示了 CM 傳播的簡(jiǎn)化等效電路。
圖 2：Fly-Buck 隔離式轉(zhuǎn)換器 DM 和 CM 傳導(dǎo)噪聲傳播路徑 (a)；CM 等效電路 (b) 在實(shí)際的轉(zhuǎn)換器中，以下元件寄生效應(yīng)均會(huì)影響電壓和電流波形以及 CM 噪聲：
MOSFET 輸出電容 (COSS)。
整流二極管結(jié)電容 (CD)。
主電感繞組的等效并聯(lián)電容 (EPC)。
輸入和輸出電容的等效串聯(lián)電感 (ESL)。
相關(guān)內(nèi)容，我將在第 3 部分中進(jìn)一步詳細(xì)介紹。 噪聲源和傳播路徑 正如第 1 部分所述，測(cè)量 DC/DC 轉(zhuǎn)換器傳導(dǎo)發(fā)射（對(duì)于 CISPR 32 標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定帶寬范圍為 150kHz 至 30MHz；對(duì)于 CISPR 25 標(biāo)準(zhǔn)，則規(guī)定頻率范圍為更寬的 150kHz 至 108MHz）時(shí)，測(cè)量的是每條電源線上 50Ω LISN 電阻兩端相對(duì)于接地 GND 的總噪聲電壓或“非對(duì)稱(chēng)”干擾。 圖 3 顯示了 EMI 噪聲的產(chǎn)生、傳播和測(cè)量模型。噪聲源電壓用 VN?表示，噪聲源和傳播路徑阻抗分別用 ZS?和 ZP?表示。LISN 和 EMI 接收器的高頻等效電路僅為兩個(gè) 50Ω 電阻。圖 3 還顯示了相應(yīng)的 DM 和 CM 噪聲電壓 VDM?和 VCM，它們由兩條電源線的總噪聲電壓 V1?和 V2?計(jì)算得出。DM（或“對(duì)稱(chēng)”）電壓分量定義為 V1?和 V2?矢量差的一半；而 CM（或“非對(duì)稱(chēng)”）電壓分量定義為 V1?和 V2?矢量和的一半。請(qǐng)注意，本文提供的 VDM?通用定義與 CISPR 16 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值相比，可能存在 6dB 的偏差。
圖 3：傳導(dǎo) EMI 發(fā)射模型，其中顯示了噪聲源電壓、噪聲傳播路徑和 LISN 等效電路 CM 噪聲源阻抗主要是容性阻抗，并且 ZCM?隨頻率的增大而減小。而 DM 噪聲源阻抗通常為阻性和感性阻抗，并且 ZDM?隨頻率的增大而增大。? 要降低傳導(dǎo)噪聲水平，確保噪聲源本身產(chǎn)生較少的噪聲是其中的一種方法。對(duì)于噪聲傳播路徑，可以通過(guò)濾波或其他方法調(diào)整阻抗，從而減小相應(yīng)的電流。例如，要降低降壓或升壓轉(zhuǎn)換器中的 CM 噪聲，需要降低 SW 節(jié)點(diǎn) dv/dt（噪聲源）、通過(guò)減小接地寄生電容來(lái)增大阻抗、或者使用 Y 電容和/或 CM 扼流器進(jìn)行濾波。本系列文章的第 4 部分將詳細(xì)介紹 EMI 抑制技術(shù)分類(lèi)。 DM?和?CM EMI?濾波 無(wú)源 EMI 濾波是最常用的 EMI 噪聲抑制方法。顧名思義，這類(lèi)濾波器僅采用無(wú)源元件。將這類(lèi)濾波器設(shè)計(jì)用于電力電子設(shè)備時(shí)特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)闉V波器端接的噪聲源（開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器）和負(fù)載（電線線）阻抗是不斷變化的。 圖 4a 顯示了傳統(tǒng)的 p 型 EMI 輸入濾波器，以及整流和瞬態(tài)電壓鉗位功能（為直流/交流輸入供電的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供 EMC 保護(hù)）。此外，圖 4 還包括本系列文章第 1 部分中的 LISN 高頻等效電路。
圖 4：傳統(tǒng)的 EMC 輸入濾波器 (a)，包括 DM 等效電路 (b) 和 CM 等效電路 (c) 典型 EMI 濾波器的兩個(gè) CM 繞組相互耦合，這兩個(gè)繞組的 CM 電感分別為 LCM1?和 LCM2。DM 電感 LDM1?和 LDM2?分別是兩個(gè)耦合的 CM 繞組的漏電感，并且還可能包括分立的 DM 電感。CX1?和 CX2?為 DM 濾波器電容，而 CY1?和 CY2?為 CM 濾波器電容。 通過(guò)將 EMI 濾波器去耦為 DM 等效電路和 CM 等效電路，可簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)。然后，可以分別分析濾波器的 DM 和 CM 衰減。去耦基于這樣的假設(shè)，即 EMI 濾波器具有完美對(duì)稱(chēng)的電路結(jié)構(gòu)。在實(shí)現(xiàn)的對(duì)稱(chēng)濾波器中，假設(shè) LCM1?= LCM2?= LCM，CY1?= CY2?= CY，LDM1?= LDM2?= LDM，并且印刷電路板 (PCB) 布局也完美對(duì)稱(chēng)。DM 等效電路和 CM 等效電路分別如圖 4b 和圖 4c 所示。 但是，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，實(shí)際情況下并不存在完美對(duì)稱(chēng)，因此 DM 和 CM 濾波器并不能完全去耦。而結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)可能導(dǎo)致 DM 噪聲轉(zhuǎn)變成 CM 噪聲，或者 CM 噪聲轉(zhuǎn)變成 DM 噪聲。通常，與轉(zhuǎn)換器噪聲源和 EMI 濾波器參數(shù)相關(guān)的不平衡性可能導(dǎo)致這種模式轉(zhuǎn)變。? DM?和?CM?噪聲分離 傳導(dǎo) EMI 的初始測(cè)量結(jié)果通常顯示 EMI 濾波器衰減不足。為了獲得適當(dāng)?shù)?EMI 濾波器設(shè)計(jì)，必須獨(dú)立研究待測(cè)設(shè)備 (EUT) 產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射的 DM 和 CM 噪聲電壓分量。? 將 DM 和 CM 分開(kāi)處理有助于確定相關(guān) EMI 源并對(duì)其進(jìn)行故障排除，從而簡(jiǎn)化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)流程。正如我在上一部分強(qiáng)調(diào)的那樣，EMI 濾波器采用了截然不同的濾波器元件來(lái)抑制 DM 和 CM 發(fā)射。在這種情況下，一種常見(jiàn)的診斷檢查方法是將傳導(dǎo)噪聲分離為 DM 噪聲電壓和 CM 噪聲電壓。 圖 5 顯示了無(wú)源和有源兩種實(shí)現(xiàn)形式的 DM/CM 分離器電路，該電路有助于直接同時(shí)測(cè)量 DM 和 CM 發(fā)射。圖 5a 中的無(wú)源分離器電路 [4] 使用寬帶 RF 變壓器（如 Coilcraft 的 SWB1010 系列）在 EMI 覆蓋的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可接受的分離結(jié)果，其中 T1?和 T2?的特征阻抗 (ZO) 分別為 50Ω 和 100Ω。將一個(gè) 50Ω 的電阻與 DM 輸出端口的頻譜分析儀的輸入阻抗串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)圖 3 中提供的 VDM?表達(dá)式的“除 2”功能。
圖 5：實(shí)現(xiàn)的用于分離 DM/CM 噪聲的無(wú)源 (a) 和有源 (b) 電路 圖 5b 展示的是使用低噪聲、高帶寬運(yùn)算放大器的有源分離器電路。U1?和 U2?實(shí)現(xiàn)了 LISN 輸出的理想輸入阻抗矩陣，而 U3?和 U4?分別提供 CM 和 DM 電壓。LCM?是一個(gè) CM 線路濾波器（例如 Würth Elektronik 744222），位于差分放大器 U4?的輸入端，用于增大 DM 結(jié)果的 CM 抑制比（共模抑制比 [CMRR] - ￥dB）并最大限度地減少 CM/DM 交叉耦合。 實(shí)際電路示例?-?汽車(chē)同步升壓轉(zhuǎn)換器 考慮圖 6 中所示的同步升壓轉(zhuǎn)換器。該電路在汽車(chē)應(yīng)用中很常見(jiàn)，通常作為預(yù)升壓穩(wěn)壓器在冷啟動(dòng)或瞬態(tài)欠壓條件下保持電池電壓供應(yīng)。
圖 6：汽車(chē)同步升壓轉(zhuǎn)換器（采用 50Ω/5μH LISN，用于 CISPR 25 EMI 測(cè)試） 在車(chē)輛底盤(pán)接地端直接連接一個(gè) MOSFET 散熱器，可以提高轉(zhuǎn)換器的熱性能和可靠性，但共模 EMI 性能會(huì)受到影響。圖 6 所示的原理圖中，包含升壓轉(zhuǎn)換器以及 CISPR 25 建議采用的兩個(gè) LISN 電路（分別連接在 L1 和 L2 輸入線上）。? 考慮到升壓轉(zhuǎn)換器的 CM 噪聲傳播路徑，圖 7 將 MOSFET Q1?和 Q2?替換為等效的交流電壓流和電流源。圖 7 中，還呈現(xiàn)了與升壓電感 LF、輸入電容 CIN?和輸出電容 COUT?相關(guān)的寄生分量部分。特別是 CRL-GND，它是負(fù)載電路與底盤(pán) GND 之間的寄生電容，包括長(zhǎng)負(fù)載線和布線以及下游負(fù)載配置（例如，二次側(cè)輸出連接到底盤(pán)接地的隔離式轉(zhuǎn)換器，或者用大型金屬外殼固定到底盤(pán)上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）所產(chǎn)生的寄生電容。
圖 7：具有 LISN 的同步升壓拓?fù)涞母哳l等效電路，只有在 LISN 中流動(dòng)的 CM 電流路徑與 CM 發(fā)射測(cè)量相關(guān) 漏源開(kāi)關(guān)（SW 節(jié)點(diǎn)）電壓的上升沿和下降沿代表主要的 CM 噪聲源。CP1?和 CP2?分別代表 SW 與底盤(pán)之間以及 SW 與散熱器之間的有效寄生電容。圖 8 顯示了 SW 節(jié)點(diǎn)電容（電場(chǎng)）耦合為主要 CM 傳播路徑時(shí)簡(jiǎn)化的 CM 噪聲等效電路。
圖 8：連有 LISN 的同步升壓電路及其簡(jiǎn)化 CM 等效電路 總結(jié) 對(duì)于電力電子工程師而言，了解各種電源級(jí)拓?fù)渲?DM 和 CM 電流的相關(guān)傳播路徑（包括與高 dv/dt 和 di/dt 開(kāi)關(guān)相關(guān)的電容（電場(chǎng)）和電感（磁場(chǎng)）耦合）非常重要。在 EMI 測(cè)試過(guò)程中，將 DM 和 CM 發(fā)射分開(kāi)處理有助于對(duì)相關(guān) EMI 源進(jìn)行故障排除，從而簡(jiǎn)化 EMI 濾波器設(shè)計(jì)流程。 在即將發(fā)表的本系列文章第三部分中，將全面介紹影響轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)性能和 EMI 信號(hào)的電路元件寄生部分。
第 3 部分 —了解功率級(jí)寄生效應(yīng) ?
DC/DC 轉(zhuǎn)換器中半導(dǎo)體器件的高頻開(kāi)關(guān)特性是主要的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射源。本文章系列的第 2 部分回顧了 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的差模 (DM) 和共模 (CM) 傳導(dǎo)噪聲干擾。在電磁干擾 (EMI) 測(cè)試期間，如果將總噪聲測(cè)量結(jié)果細(xì)分為 DM 和 CM 噪聲分量，可以確定 DM 和 CM 兩種噪聲各自所占的比例，從而簡(jiǎn)化 EMI 濾波器的設(shè)計(jì)流程。高頻下的傳導(dǎo)發(fā)射主要由 CM 噪聲產(chǎn)生，該噪聲的傳導(dǎo)回路面積較大，進(jìn)一步推動(dòng)輻射發(fā)射的產(chǎn)生。 在第 3 部分中，我將全面介紹降壓穩(wěn)壓器電路中影響 EMI 性能和開(kāi)關(guān)損耗的感性和容性寄生元素。通過(guò)了解相關(guān)電路寄生效應(yīng)的影響程度，可以采取適當(dāng)?shù)拇胧⒂绊懡抵磷畹筒p少總體 EMI 信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，采用一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的緊湊型功率級(jí)布局可以降低 EMI，從而符合相關(guān)法規(guī)，還可以提高效率并降低解決方案的總成本。 檢驗(yàn)具有高轉(zhuǎn)換率電流的關(guān)鍵回路 根據(jù)電源原理圖進(jìn)行電路板布局時(shí)，其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)是準(zhǔn)確找到高轉(zhuǎn)換率電流（高 di/dt）回路，同時(shí)密切關(guān)注布局引起的寄生或雜散電感。這類(lèi)電感會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的噪聲和振鈴，導(dǎo)致過(guò)沖和地彈反射。圖 1 中的功率級(jí)原理圖顯示了一個(gè)驅(qū)動(dòng)高側(cè)和低側(cè) MOSFET（分別為 Q1?和 Q2）的同步降壓控制器。 以 Q1?的導(dǎo)通轉(zhuǎn)換為例。在輸入電容 CIN?供電的情況下，Q1?的漏極電流迅速上升至電感電流水平，與此同時(shí)，從 Q2?的源極流入漏極的電流降為零。MOSFET 中紅色陰影標(biāo)記的回路和輸入電容（圖 1 中標(biāo)記為“1”）是降壓穩(wěn)壓器的高頻換向功率回路或“熱”回路 。功率回路承載著幅值和 di/dt 相對(duì)較高的高頻電流，特別是在 MOSFET 開(kāi)關(guān)期間。
圖 1：具有高轉(zhuǎn)換率電流的重要高頻開(kāi)關(guān)回路 圖 1 中的回路“2”和“3”均歸類(lèi)為功率 MOSFET 的柵極回路。具體來(lái)說(shuō)，回路 2 表示高側(cè) MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器電路（由自舉電容 CBOOT?供電）?；芈?3 表示低側(cè) MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器電路（由 VCC?供電）。這兩條回路中均使用實(shí)線繪制導(dǎo)通柵極電流路徑，以虛線繪制關(guān)斷柵極電流路徑。 寄生組分和輻射?EMI EMI 問(wèn)題通常涉及三大要素：干擾源、受干擾者和耦合機(jī)制。干擾源是指 dv/dt 和/或 di/dt 較高的噪聲發(fā)生器，受干擾者指易受影響的電路（或 EMI 測(cè)量設(shè)備）。耦合機(jī)制可分為導(dǎo)電和非導(dǎo)電耦合。非導(dǎo)電耦合可以是電場(chǎng)（E 場(chǎng)）耦合、磁場(chǎng)（H 場(chǎng)）耦合或兩者的組合 - 稱(chēng)為遠(yuǎn)場(chǎng) EM 輻射。近場(chǎng)耦合通常由寄生電感和電容引起，可能對(duì)穩(wěn)壓器的 EMI 性能起到?jīng)Q定性作用，影響顯著。 功率級(jí)寄生電感 功率 MOSFET 的開(kāi)關(guān)行為以及波形振鈴和 EMI 造成的后果均與功率回路和柵極驅(qū)動(dòng)電路的部分電感相關(guān)。圖 2 綜合顯示了由元器件布局、器件封裝和印刷電路板 (PCB) 布局產(chǎn)生的寄生元素，這些寄生元素會(huì)影響同步降壓穩(wěn)壓器的 EMI 性能。
圖 2：降壓功率級(jí)和柵極驅(qū)動(dòng)器的“剖析原理圖”（包含感性和容性寄生元素） 有效高頻電源回路電感 (LLOOP) 是總漏極電感 (LD)、共源電感 (LS)（即輸入電容和 PCB 走線的等效串聯(lián)電感 (ESL)）和功率 MOSFET 的封裝電感之和。按照預(yù)期，LLOOP?與輸入電容 MOSFET 回路（圖 1 中的紅色陰影區(qū)域）的幾何形狀布局密切相關(guān)。 與此同時(shí)，柵極回路的自感 LG?由 MOSFET 封裝和 PCB 走線共同產(chǎn)生。從圖 2 中可以看出，高側(cè) MOSFET Q1?的共源電感同時(shí)存在于電源和柵極回路中。Q1?的共源電感產(chǎn)生效果相反的兩種反饋電壓，分別控制 MOSFET 柵源電壓的上升和下降時(shí)間，因此降低功率回路中的 di/dt。然而，這樣通常會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，因此并非理想方法。 功率級(jí)寄生電容 公式 1 為影響 EMI 和開(kāi)關(guān)行為的功率 MOSFET 輸入電容、輸出電容和反向傳輸電容三者之間的關(guān)系表達(dá)式（以圖 2 中的終端電容符號(hào)表示）。在 MOSFET 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，這種寄生電容需要幅值較高的高頻電流。
公式 2 的近似關(guān)系表達(dá)式表明，COSS?與電壓之間存在高度非線性的相關(guān)性。公式 3 給出了特定輸入電壓下的有效電荷 QOSS，其中 COSS-TR?是與時(shí)間相關(guān)的有效輸出電容，與部分新款功率 FET 器件的數(shù)據(jù)表中定義的內(nèi)容一致。
圖 2 中的另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是體二極管 DB2?的反向恢復(fù)電荷 (QRR)，該電荷導(dǎo)致 Q1?導(dǎo)通期間出現(xiàn)顯著的電流尖峰。QRR?取決于許多參數(shù)，包括恢復(fù)前的二極管正向電流、電流轉(zhuǎn)換速度和芯片溫度。一般來(lái)說(shuō)，MOSFET QOSS?和體二極管 MOSFET QOSS?會(huì)為分析和測(cè)量過(guò)程帶來(lái)諸多難題。在 Q1?導(dǎo)通期間，為 Q2?的 COSS2?充電的前沿電流尖峰和為 QRR2?供電以恢復(fù)體二極管 DB2?的前沿電流尖峰具有類(lèi)似的曲線圖，因此二者常被混淆。 EMI?頻率范圍和耦合模式 表 1 列出了三個(gè)粗略定義的頻率范圍，開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器在這三種頻率范圍內(nèi)激勵(lì)和傳播 EMI [5]。在功率 MOSFET 開(kāi)關(guān)期間，當(dāng)換向電流的轉(zhuǎn)換率超過(guò) 5A/ns 時(shí)，2nH 寄生電感會(huì)導(dǎo)致 10V 的電壓過(guò)沖。此外，功率回路中的電流具有快速開(kāi)關(guān)邊沿（可能存在與體二極管反向恢復(fù)和 MOSFET COSS?充電相關(guān)的前沿振鈴），其中富含諧波成分，產(chǎn)生負(fù)面影響嚴(yán)重的 H 場(chǎng)耦合，導(dǎo)致傳導(dǎo)和輻射 EMI 增加。
表 1：開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器噪聲源和常規(guī) EMI 頻率分類(lèi) 噪聲耦合路徑主要有以下三種：通過(guò)直流輸入線路傳導(dǎo)的噪聲、來(lái)自功率回路和電感的 H 場(chǎng)耦合以及來(lái)自開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)銅表面的 E 場(chǎng)耦合。 轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)波形分析建模 如第 2 部分所述，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓的上升沿和下降沿分別是非隔離式轉(zhuǎn)換器中 CM 噪聲和 E 場(chǎng)耦合的主要來(lái)源。在EMI 分析中，設(shè)計(jì)者最關(guān)注電源轉(zhuǎn)換器噪聲發(fā)射的諧波含量上限或“頻譜包絡(luò)”，而非單一諧波分量的幅值。借助簡(jiǎn)化的開(kāi)關(guān)波形分析模型，我們可以輕松確定時(shí)域波形參數(shù)對(duì)頻譜結(jié)果的影響。 為了解與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓相關(guān)的諧波頻譜包絡(luò)，圖 3 給出了近似的時(shí)域波形。每一部分均由其幅值 (VIN)、占空比 (D)、上升和下降時(shí)間（tR?和 tF）以及脈寬 (t1) 來(lái)表示。其中，脈寬的定義為上升沿中點(diǎn)與下降沿中點(diǎn)的間距。 傅立葉分析結(jié)果表明，諧波幅值包絡(luò)為雙 sinc 函數(shù)，轉(zhuǎn)角頻率為 f1?和 f2，具體取決于時(shí)域波形的脈寬和上升/下降時(shí)間。對(duì)于降壓開(kāi)關(guān)單元的各個(gè)輸入電流波形，可以應(yīng)用類(lèi)似的處理方法。測(cè)得的電壓和電流波形中相應(yīng)的頻率分量可以表示開(kāi)關(guān)電壓和電流波形邊沿處的振鈴特性（分別由寄生回路電感和體二極管反向恢復(fù)產(chǎn)生）。
圖 3：開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓梯形波形及其頻譜包絡(luò)（受脈寬和上升/下降時(shí)間影響） 一般來(lái)說(shuō)，電感 LLOOP?會(huì)增加 MOSFET 漏源峰值電壓尖峰，并且還會(huì)加劇開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓振鈴，影響 50MHz 至 200MHz 范圍內(nèi)的寬帶 EMI。在這種情況下，最大限度縮減功率回路的有效長(zhǎng)度和閉合區(qū)域顯得至關(guān)重要。這樣不僅可減小寄生電感，而且還可以減少環(huán)形天線結(jié)構(gòu)發(fā)出的磁耦合輻射能量，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)自消除。 穩(wěn)壓器輸入端基于回路電感比率發(fā)生傳導(dǎo)噪聲耦合，而輸入電容 ESL 決定濾波要求。減小 LLOOP?會(huì)增加輸入濾波器的衰減要求。幸運(yùn)的是，如果降壓輸出電感的自諧振頻率 (SRF) 較高，傳導(dǎo)至輸出的噪聲可降至最低。換言之，電感應(yīng)具有較低的有效并聯(lián)電容 (EPC)，以便在從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)到 VOUT?的網(wǎng)絡(luò)中獲得較高的傳輸阻抗。此外，還會(huì)通過(guò)低阻抗輸出電容對(duì)輸出噪聲進(jìn)行濾波。 等效諧振電路 根據(jù)圖 4 所示的同步降壓穩(wěn)壓器時(shí)域開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓波形可知，MOSFET 開(kāi)關(guān)期間傳輸?shù)募纳芰繒?huì)激發(fā) RLC 諧振。右側(cè)的簡(jiǎn)化等效電路用于分析 Q1?導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)行為。從電壓波形中可以看出，上升沿的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓明顯超出 VIN，而下降沿的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓明顯低于接地端 (GND)。 振蕩幅值取決于部分電感在回路內(nèi)的分布，回路的有效交流電阻會(huì)抑制隨后產(chǎn)生的振鈴。這不僅為 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器提供電壓應(yīng)力，還會(huì)影響寬帶輻射 EMI 的中心頻率。
圖 4：MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的同步降壓開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形及等效 RLC 電路 根據(jù)圖 4 中的上升沿電壓過(guò)沖計(jì)算可得，振鈴周期為 6.25ns，對(duì)應(yīng)的諧振頻率為 160MHz。此外，將一個(gè)近場(chǎng) H 探頭直接放在開(kāi)關(guān)回路區(qū)域上方也可以識(shí)別該頻率分量。利用計(jì)算型 EM 場(chǎng)仿真工具，可以推導(dǎo)出與高頻諧振和輻射發(fā)射相關(guān)的部分回路電感值。不過(guò)，還有一種更簡(jiǎn)單的方法。這種方法需要測(cè)量諧振周期?TRing1?并從 MOSFET 數(shù)據(jù)表中獲取輸入電壓工作點(diǎn)的 COSS2，然后利用公式 4 計(jì)算總回路電感。
其中兩個(gè)重要因素是諧振頻率以及諧振固有的損耗或阻尼因子 a。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)最大限度減小回路電感盡可能提升諧振頻率。這樣可以降低存儲(chǔ)的無(wú)功能量總值，減少諧振開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓峰值過(guò)沖。此外，在趨膚效應(yīng)的作用下，較高頻率處的阻尼因子增大，提升 RLOOP?的有效值。 總結(jié) 盡管氮化鎵 (GaN) 功率級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器通常在低于 3MHz 的頻率下切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但產(chǎn)生的寬帶噪聲和 EMI 往往高達(dá) 1GHz 甚至更高。EMI 主要由其快速開(kāi)關(guān)的電壓和電流特性所致。實(shí)際上，器件開(kāi)關(guān)波形的高頻頻譜成分是獲取 EMI 產(chǎn)生電位指示的另一種途徑，它能夠指明 EMI 與開(kāi)關(guān)損耗達(dá)到良好權(quán)衡的結(jié)果。 首先從原理圖中確定關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)回路，然后在 PCB 轉(zhuǎn)換器布局設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量縮減這些回路的面積，從而減少寄生電感和相關(guān)的 H 場(chǎng)耦合，降低傳導(dǎo)和輻射 EMI。? 在這篇系列文章的后續(xù)章節(jié)中，我將通過(guò)多種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路重點(diǎn)介紹改善 EMI 性能矢量的系統(tǒng)級(jí)和集成電路 (IC) 的特定功能。緩解傳導(dǎo) EMI 的措施通常也可以改善輻射 EMI，這兩方面經(jīng)常相互促進(jìn)的。
第 4 部分 — 輻射發(fā)射 ? 簡(jiǎn)介 這篇系列文章的第 4 部分針對(duì)電源轉(zhuǎn)換器（特別是工業(yè)和汽車(chē)領(lǐng)域使用的電源轉(zhuǎn)換器）在開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的輻射排放闡述了一些觀點(diǎn)。 輻射電磁干擾 (EMI) 是一種在特定環(huán)境中動(dòng)態(tài)出現(xiàn)的問(wèn)題，與電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的寄生效應(yīng)、電路布局和元器件排布及其在運(yùn)行時(shí)所處的整體系統(tǒng)相關(guān)。因此，從設(shè)計(jì)工程師的角度出發(fā)，輻射 EMI 的問(wèn)題通常更具挑戰(zhàn)性，復(fù)雜度更高，在系統(tǒng)主板使用多個(gè) DC/DC 功率級(jí)時(shí)尤為如此。了解輻射 EMI 的基本機(jī)制以及測(cè)量要求、頻率范圍和相應(yīng)限制條件至關(guān)重要。本文重點(diǎn)介紹這些方面的內(nèi)容，展示輻射 EMI 測(cè)量裝置以及兩個(gè) DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器的結(jié)果。 近場(chǎng)耦合 圖 1 概略介紹了噪聲源與受干擾電路之間基本 EMI 耦合模式特別是電感或 H 場(chǎng)耦合需要 di/dt 較高的時(shí)變電流源和兩條磁耦合回路（或帶有返回路徑的平行導(dǎo)線）。另一方面，電容或 E 場(chǎng)耦合需要 dv/dt 較高的時(shí)變電壓源和兩塊緊鄰的金屬板。這兩種機(jī)制均屬于近場(chǎng)耦合，其中的噪聲源與受干擾電路非常接近，可使用近場(chǎng)嗅探器進(jìn)行測(cè)量。
圖 1：EMI 耦合模式? 例如，現(xiàn)代電源開(kāi)關(guān)，特別是氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 基晶體管，其輸出電容 COSS?較低，柵極電荷 QG?較少，能夠以極高的 dv/dt 和 di/dt 轉(zhuǎn)換率進(jìn)行開(kāi)關(guān)。相鄰電路發(fā)生 H 場(chǎng)和 E 場(chǎng)耦合以及串?dāng)_的可能性很高。然而，隨著互感或電容減小，耦合結(jié)構(gòu)的間距增大，近場(chǎng)耦合顯著減弱。? 遠(yuǎn)場(chǎng)耦合 典型的電磁 (EM) 波以 E 場(chǎng)和 H 場(chǎng)組合的形式傳播。輻射天線源附近的場(chǎng)結(jié)構(gòu)為復(fù)雜的三維模式。從輻射源進(jìn)一步分析，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域中的 EM 波由彼此正交并且與傳播方向正交的 E 場(chǎng)和 H 場(chǎng)分量組成。圖 2 展示了這種平面波，它代表輻射 EMI 的主要基準(zhǔn)，受到各種輻射標(biāo)準(zhǔn)的約束。
圖 2：電磁平面波傳播 圖 3 所示的波阻抗等于電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度之比。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域中的 E 和 H 分量同相，因此遠(yuǎn)場(chǎng)阻抗呈阻性，具體值可通過(guò)麥克斯韋方程（如方程 1 所示）的平面波解決方案計(jì)算：
如果 λ 是波長(zhǎng)，F(xiàn) 是所需頻率，方程 2 通常表示近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域之間的邊界：
然而，該邊界不是精確的標(biāo)準(zhǔn)，僅用于指示一般性過(guò)渡區(qū)域（圖 3 中描述為 l/16 至 3l），其中的場(chǎng)從復(fù)雜的分布形態(tài)演變?yōu)槠矫娌ā?/p>
圖 3：?麥克斯韋定律中近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的波阻抗 鑒于多數(shù)天線設(shè)計(jì)用于檢測(cè)和響應(yīng)電場(chǎng)，輻射的電磁波通常稱(chēng)為垂直或水平極化，具體取決于電場(chǎng)方向。測(cè)量 E 場(chǎng)天線一般應(yīng)與傳播的 E 場(chǎng)在同一平面中定向，從而檢測(cè)最大場(chǎng)強(qiáng)。因此，輻射 EMI 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)通常介紹接收天線以垂直和水平極化方式安裝時(shí)的測(cè)量。 工業(yè)和多媒體設(shè)備中的輻射?EMI 表 1 列出了聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 第 15 部分 B 子節(jié)針對(duì)無(wú)意輻射體規(guī)定的 A 類(lèi)和 B 類(lèi)輻射發(fā)射限值。此外，本規(guī)范第 15.109(g) 條允許在使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ANSI) C63.4-2014 規(guī)定的測(cè)量方法時(shí)，使用國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 22 規(guī)定的輻射發(fā)射限值（如表 2 所述）。表 1 和表 2 中規(guī)定的限值均針對(duì)低于 1GHz 的頻率，使用 CISPR 準(zhǔn)峰值 (QP) 檢測(cè)器功能，分辨率帶寬 (RBW) 為 120kHz。表 3 和表 4 規(guī)定的限值針對(duì) 1GHz 以上的頻率，此時(shí)使用峰值 (PK) 和平均 (AVG) 檢測(cè)器以及分辨率帶寬為 1MHz 的接收器。 對(duì)于指定的測(cè)量距離，B 類(lèi)民用或家用應(yīng)用限制通常比 A 類(lèi)商用或工業(yè)應(yīng)用限制更嚴(yán)格，通常高出 6dB 至 10dB。另請(qǐng)注意，表 1 和表 2 還包括一個(gè)按照 15.31(f)(1) 使用的 20 dB/dec 的反向線性距離 (1/d) 比例系數(shù)，針對(duì) 3m 和 10m 天線測(cè)量距離對(duì)應(yīng)的限值進(jìn)行歸一化處理，從而確定合規(guī)性。例如，如果將天線放置在 3 米而非 10 米的位置，從而保持在測(cè)試設(shè)備邊界內(nèi)，則限制幅值調(diào)整約 10.5dB。 表 1：按照 47 CFR 15.109(a) 和 (b) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 30MHz 到 1GHz 范圍的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng) QP 限值
表 2：按照 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 30MHz 到 1GHz 范圍的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng) QP 限值
表 3：按照 47 CFR 15.109(a) 和 (b) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 1GHz 到 6GHz 范圍的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)限值
表 4：按照 47 CFR 15.109(g)/CISPR 22/32 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的 1GHz 到 6GHz 范圍的輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)限值
圖 4 展示了當(dāng)天線距離為 3m 時(shí)，A 類(lèi)和 B 類(lèi)相關(guān)限值的圖象。符合 FCC 的設(shè)計(jì)包括采用?Bluetooth?低能耗技術(shù)的氣體傳感器實(shí)施方案，其由電池供電，可從德州儀器 (TI) 購(gòu)買(mǎi)。用戶(hù)可下載有關(guān)此設(shè)計(jì)的FCCA類(lèi)合規(guī)性報(bào)告，其中列出輻射發(fā)射測(cè)試數(shù)據(jù)和圖象，以便查閱相關(guān)信息。
圖 4：FCC 第 15 部分和 CISPR 22 的 A 類(lèi)和 B 類(lèi)輻射限值（對(duì)于低于和高于 1GHz 這兩種條件，分別使用 QP 和 AVG 檢測(cè)器） 如圖 5 所示，輻射 EMI 測(cè)試程序包括將待測(cè)設(shè)備 (EUT) 和支持設(shè)備放置在半消聲室 (SAC) 或開(kāi)闊試驗(yàn)場(chǎng) (OATS) 內(nèi)的非導(dǎo)電轉(zhuǎn)盤(pán)（高出基準(zhǔn)接地平面 0.8m）之上，遵循 CISPR 16-1 中所定義。EUT 設(shè)置在與安裝于天線塔上的接收天線相距 3m 的位置。? 使用經(jīng)校準(zhǔn)的寬帶天線（雙錐形天線和對(duì)數(shù)周期天線組合，或者 Bilog 天線）的 PK 檢測(cè)器預(yù)掃描功能，沿水平和垂直兩種天線極化方向?qū)?30MHz 到 1GHz 的輻射發(fā)射進(jìn)行檢測(cè)。這種探究性測(cè)試可以確定所有重要發(fā)射的頻率。執(zhí)行該測(cè)試后，使用 QP 檢測(cè)器檢查相關(guān)的故障點(diǎn)，記錄最終合規(guī)測(cè)量值。 在測(cè)試期間，EMI 接收器的 RBW 設(shè)置為 120kHz。配置天線的水平和垂直極化方向（將其相對(duì)于接地平面旋轉(zhuǎn) 90°），并將高度調(diào)整為高出接地平面 1m 到 4m，以便在考慮地面反射時(shí)，將每個(gè)測(cè)試頻率對(duì)應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)讀數(shù)最大化。在測(cè)量期間，可將轉(zhuǎn)盤(pán)上的 EUT 在 0 到 360° 之間旋轉(zhuǎn)，使天線與 EUT 之間的方位角發(fā)生變化，以便根據(jù) EUT 的方位獲得最大場(chǎng)強(qiáng)讀數(shù)。天線位于 EUT 的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，對(duì)應(yīng)于 3m 天線距離，頻率為 15.9MHz。
圖 5：FCC 第 15 部分和 CISPR 22/32 對(duì)應(yīng)的輻射發(fā)射測(cè)量裝置 可以使用喇叭天線針對(duì) 1GHz 以上的頻率執(zhí)行 PK 檢測(cè)器預(yù)掃描，然后在接近限制時(shí)使用 AVG 檢測(cè)器。EMI 接收器的 RBW 設(shè)置為 1MHz。天線方向明確，因此無(wú)需執(zhí)行高度掃描，接地平面和暗室壁的反射也很難造成干擾。然而，EUT 在這些頻率下的輻射發(fā)射方向性更強(qiáng)，因此轉(zhuǎn)盤(pán)再次旋轉(zhuǎn) 360 度，確定天線極化方向以獲得最大響應(yīng)。根據(jù)表 5，測(cè)量頻率的上限范圍隨 EUT 的最高內(nèi)部頻率發(fā)生變化。 表5：輻射發(fā)射最大測(cè)量頻率（基于 EUT 內(nèi)部時(shí)鐘源的最高頻率）
輻射發(fā)射測(cè)試以每米若干分貝/微伏 (dB/mV) 為單位校準(zhǔn)電場(chǎng)強(qiáng)度。天線因子 (AF) 是天線平面產(chǎn)生的電場(chǎng) (mV/m) 與頻譜分析儀 (SA) 或掃描 EMI 接收器測(cè)得的電壓 (dB/mV) 之比。一般而言，校正的發(fā)射電平由方程 3 推導(dǎo)得出，推導(dǎo)時(shí)將 AF、電纜損耗 (CL)、衰減器和 RF 限制器損耗因子 (AL) 以及放大器預(yù)增益 (AG) 考慮在內(nèi)。
圖 6 所示為 LMR16030 60V/3A 降壓轉(zhuǎn)換器輻射發(fā)射測(cè)試裝置的照片和結(jié)果。測(cè)量條件為 24V 輸入、5V 輸出、3A 負(fù)載電流和 400kHz 開(kāi)關(guān)頻率。
圖 6：CISPR 22 輻射 EMI 測(cè)試：測(cè)試裝置照片 (a)；水平和垂直極化天線的輻射 EMI 結(jié)果 (b) 汽車(chē)系統(tǒng)中的輻射?EMI 盡管屏蔽電纜可以削弱汽車(chē)系統(tǒng)中的干擾效應(yīng)，但 EMI 可通過(guò)串?dāng)_“有效地”在易受影響的電路中耦合。在場(chǎng)線耦合效應(yīng)的作用下，對(duì)于體積相對(duì)較小但電源分布密集、信號(hào)通過(guò)電纜束的車(chē)輛，輻射排放還可能導(dǎo)致信號(hào)互連出現(xiàn)輻射抗擾問(wèn)題?；谏鲜鲈颍u(píng)估 EMI 性能便成為汽車(chē)工程師在設(shè)計(jì)和測(cè)試電動(dòng)汽車(chē)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。 UNECE 10?號(hào)法規(guī)和?CISPR 25 CISPR 12 和 CISPR 25 均為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提供無(wú)線電干擾測(cè)量的限值和程序，分別為汽車(chē)的車(chē)載和非車(chē)載接收器提供保護(hù)。CISPR 25 特別適用于汽車(chē)級(jí)別，也適用于所有車(chē)用電子組件 (ESA)。與其他標(biāo)準(zhǔn)相比，CISPR 25 通常作為汽車(chē)制造商及其供應(yīng)商定義產(chǎn)品規(guī)格的基礎(chǔ)，但不是評(píng)定合規(guī)性和遵從情況的基準(zhǔn)。自歐盟電動(dòng)汽車(chē) EMC 指令廢止后，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì) (UNECE) 第 10 條規(guī)定中出現(xiàn)這一差別。 CISPR 25 針對(duì)車(chē)輛元器件排放測(cè)量定義了數(shù)種方法和限值類(lèi)別，兼顧寬帶 (BB) 源和窄帶 (NB) 源。圖 7 說(shuō)明了針對(duì)元器件/模塊使用 PK 和 AVG 檢測(cè)器的 5 類(lèi)限值。測(cè)量對(duì)象為車(chē)輛中工作在廣播和移動(dòng)服務(wù)頻帶中的接收器。最低測(cè)量頻率涉及 150kHz 至 300kHz 的歐洲長(zhǎng)波 (LW) 廣播頻帶，最高頻率為 2.5GHz（考慮藍(lán)牙傳輸）。
圖 7：使用內(nèi)襯吸收器的屏蔽外殼 (ALSE) 方法，通過(guò)峰值和平均值檢測(cè)器（線性頻率標(biāo)度）測(cè)得的元器件/模塊的 CISPR 25 5 類(lèi)輻射限值 對(duì)于 30MHz 以下和以上兩種條件下的檢測(cè)，掃描接收器的 RBW 分別為 9kHz 和 120kHz。例外情況是 GPS L1 民用（1.567GHz 至 1.583GHz）和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GLONASS) L1（1.591GHz 至 1.613GHz）頻段。在這兩種頻段下，需要 9kHz 的 RBW 和 5kHz 的最大步長(zhǎng)，從而在僅使用 AVG 檢測(cè)器的情況下檢測(cè)出相應(yīng)的 NB 發(fā)射。 CISPR 25?的天線系統(tǒng) 使用額定輸出阻抗為 50Ω 的線性極化電場(chǎng)天線進(jìn)行測(cè)量。表 6 和圖 8 顯示了 CISPR 25 建議使用的天線，可提升不同實(shí)驗(yàn)室所提供結(jié)果的一致性。 表 6：根據(jù) CISPR 25，建議使用電場(chǎng)天線；雙錐形天線和對(duì)數(shù)周期天線存在疊加頻率，而 Bilog 天線覆蓋了二種天線各自的頻率范圍。
圖 8：符合 CISPR 25 規(guī)范的測(cè)量天線? 對(duì)于低頻測(cè)量，使用帶地網(wǎng)的無(wú)源/有源拉桿單極天線。雙錐形和對(duì)數(shù)周期偶極子陣列 (LPDA) 天線通常分別覆蓋 30MHz 至 200MHz 和 200MHz 至 1GHz 的頻率范圍。最后，雙脊喇叭天線 (DRHA) 通常用于 1GHz 至 2.5GHz。寬帶 Bilog 天線的外型比雙錐形或?qū)?shù)周期天線更大，有時(shí)用于覆蓋 30MHz 至 1GHz 的頻率范圍。? 使用?ALSE?進(jìn)行輻射?EMI?測(cè)試 圖 9、10 和 11 所示為使用 CISPR 25 ALSE 方法（也稱(chēng)天線方法）的典型裝置，針對(duì)表 6 中規(guī)定的頻率范圍進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)量。 EUT 和電纜束放置在高出接地平面 50mm 的非導(dǎo)體介電材料（相對(duì)介電常數(shù) εr 較低，不高于 1.4）之上。與接地平面前部平行的線束長(zhǎng)度為 1.5m，EUT 與負(fù)載模擬器之間測(cè)試線束的總長(zhǎng)度不超過(guò) 2m。測(cè)試線束的長(zhǎng)段平行于接地平面朝向天線的邊緣，與邊緣相距 100mm。接地平面的要求是最小寬度和長(zhǎng)度分別為 1m 和 2m，或者在整個(gè)設(shè)備下方加上 200mm，取其中的較大值。根據(jù)方程式 2 給定的近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換以及 1m 天線距離，在 EUT 的近場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量時(shí)，頻率必須低于 48MHz。
圖 9：?jiǎn)螛O拉桿天線（150kHz 至 30MHz）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測(cè)量裝置
圖 10：雙錐形天線（30MHz 至 300MHz）或?qū)?shù)周期天線（200MHz 至 1GHz）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測(cè)量裝置
圖 11：喇叭天線（1GHz 以上）的 CISPR 25 輻射發(fā)射測(cè)量裝置 喇叭天線與 EUT 對(duì)齊，其他天線則放置在線束中點(diǎn)。執(zhí)行所有測(cè)量時(shí)，天線距離均為 1 米。頻率范圍為 150kHz 至 30MHz 的測(cè)量?jī)H針對(duì)垂直天線極化執(zhí)行。頻率范圍為 30MHz 至 2.5GHz 的掃描同時(shí)針對(duì)水平極化和垂直極化執(zhí)行。 如前文所述，EMI 接收器與 AF 結(jié)合所檢測(cè)到的天線電壓可在天線位置產(chǎn)生電場(chǎng)強(qiáng)度。請(qǐng)注意，獨(dú)立的 AF 可用于水平和垂直極化，因此可以使用相應(yīng)的 AF 值對(duì)每個(gè)極化方向進(jìn)行測(cè)量。? 輻射?EMI?預(yù)合規(guī)測(cè)試及結(jié)果 圖 12 為 LM53635-Q1 汽車(chē)級(jí)同步降壓轉(zhuǎn)換器 [9] 輻射發(fā)射測(cè)試裝置的照片。EUT 由汽車(chē)電池供電，正負(fù)供電線路均連接線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN)。3.5A 阻性負(fù)載下的輸出為 3.3V。開(kāi)關(guān)頻率為 2.1MHz，高于許多汽車(chē)系統(tǒng)所需的 AM 頻帶，同時(shí)啟用了擴(kuò)頻調(diào)頻 (SSFM)。圖 13 至 16 顯示了使用各種測(cè)試天線通過(guò) CISPR 25 5 類(lèi)限值要求的測(cè)量結(jié)果。
圖 12：CISPR 25 預(yù)合規(guī)測(cè)量裝置照片
圖 13：輻射發(fā)射結(jié)果：150kHz 至 30MHz，拉桿天線，垂直極化
圖 14：輻射發(fā)射結(jié)果：30MHz 至 300MHz，雙錐形天線，水平和垂直極化
圖 15：輻射發(fā)射結(jié)果：200MHz 至 1GHz，對(duì)數(shù)周期天線，水平和垂直極化
圖 16：輻射發(fā)射結(jié)果：1GHz 至 2.5GHz，喇叭天線，水平極化? 結(jié)論 輻射發(fā)射影響電源轉(zhuǎn)換器在高頻條件的 EMI 特性 [10]。輻射測(cè)試的上限頻率擴(kuò)展到 1GHz 甚至更高（取決于規(guī)范），遠(yuǎn)高于傳導(dǎo)發(fā)射。雖然不像傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試那樣簡(jiǎn)單直接，但輻射發(fā)射測(cè)量對(duì)于合規(guī)測(cè)試不可或缺，很容易成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的瓶頸。 對(duì)于汽車(chē)應(yīng)用，由于長(zhǎng)度原因，電纜束在低頻條件下主要采用輻射結(jié)構(gòu)。測(cè)得的輻射發(fā)射曲線主要來(lái)源于所連接電纜中的共模電流，由印刷電路板 (PCB) 與電纜之間的近場(chǎng)電耦合驅(qū)動(dòng)。我將在本文的后續(xù)章節(jié)探討輻射 EMI 減弱技術(shù)。
第 5 部分 — 采用集成 FET 設(shè)計(jì)的 EMI 抑制技術(shù)
? 簡(jiǎn)介
本系列文章的第 1 部分至第 4 部分詳細(xì)介紹了開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓器引起的傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，包括噪聲產(chǎn)生機(jī)制、測(cè)量要求、頻率范圍、適用的測(cè)試限值、傳播模式和寄生效應(yīng)。在第 5 部分中，我將基于這一理論基礎(chǔ)介紹抑制電磁干擾 (EMI) 的實(shí)用電路技術(shù)。? 一般來(lái)說(shuō)，電路原理圖和印刷電路板 (PCB) 對(duì)于實(shí)現(xiàn)出色的 EMI 性能至關(guān)重要。第 3 部分重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)通過(guò)謹(jǐn)慎的元器件選型和 PCB 布局盡量減小“功率回路”寄生電感的重要性。電源轉(zhuǎn)換器集成電路 (IC) 的封裝技術(shù)及其提供的 EMI 特定功能對(duì)此產(chǎn)生了巨大的影響。如第 2 部分所述，必須使用差模 (DM) 濾波方可將輸入紋波電流的幅值充分降低至滿足 EMI 合規(guī)性要求的水平。與此同時(shí)，如果需要抑制約 10MHz 以上的發(fā)射，通常使用共模 (CM) 濾波。在高頻條件下，使用屏蔽也可以獲得優(yōu)異的結(jié)果。? 本文主要介紹這些方面的內(nèi)容，專(zhuān)門(mén)聚焦于帶有集成功率 MOSFET 和控制器的轉(zhuǎn)換器解決方案，提供抑制 EMI 的實(shí)例和應(yīng)用指導(dǎo)。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換器應(yīng)在合理范圍內(nèi)超出傳導(dǎo) EMI 一定的裕度，為達(dá)到輻射限值預(yù)留空間。幸運(yùn)的是，多數(shù)減少傳導(dǎo)發(fā)射的步驟對(duì)于抑制輻射 EMI 同樣有效。? 了解?EMI?的相關(guān)挑戰(zhàn) DC/DC 轉(zhuǎn)換器中的 EMI 主要由其快速開(kāi)關(guān)的電壓和電流特性所致。與轉(zhuǎn)換器的不連續(xù)輸入或輸出電流相關(guān)的 EMI 相對(duì)容易處理，但更大的問(wèn)題是開(kāi)關(guān)電壓 dv/dt 和電流 di/dt 中的諧波成分，以及與開(kāi)關(guān)波形相關(guān)的振鈴。 圖 1 所示為存在噪聲的同步降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān) (SW) 電壓波形。振鈴頻率范圍為 50MHz 至 200MHz，具體取決于寄生效應(yīng)。此類(lèi)高頻成分可以通過(guò)近場(chǎng)耦合傳播到輸入電源線、周邊元器件或輸出總線（如 USB 電纜）。體二極管反向恢復(fù)存在類(lèi)似的問(wèn)題，隨著恢復(fù)電流流入寄生回路電感，振鈴電壓升高。
圖 1：同步降壓轉(zhuǎn)換器在 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形和等效電路 圖 2 的原理圖標(biāo)識(shí)了降壓轉(zhuǎn)換器電路的兩條重要回路。最大限度縮減電源回路的面積至關(guān)重要，原因是該參數(shù)與寄生電感和相關(guān) H 場(chǎng)傳播成正比。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)減小寄生電感最大程度提升寄生 LC 諧振電路的諧振頻率。此舉可以降低存儲(chǔ)的無(wú)功能量總值，減少開(kāi)關(guān)電壓峰值過(guò)沖。
圖 2：簡(jiǎn)化的同步降壓轉(zhuǎn)換器原理圖（針對(duì) EMI 標(biāo)出了關(guān)鍵回路和走線） 在圖 2 所示的自舉電容回路中，高側(cè) MOSFET 的導(dǎo)通速度由一個(gè)標(biāo)記為 RBOOT?的可選串聯(lián)自舉電阻進(jìn)行控制。自舉電阻會(huì)改變驅(qū)動(dòng)電流瞬變率，降低 MOSFET 導(dǎo)通期間的開(kāi)關(guān)電壓和電流轉(zhuǎn)換率。另一種方法是在 SW 和 GND 之間添加一個(gè)緩沖電路。同理，該緩沖電路應(yīng)根據(jù)每次開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的瞬態(tài)電流尖峰，占用最小的回路面積。當(dāng)然，緩沖電路和柵極電阻會(huì)增加開(kāi)關(guān)功率損耗，需要在效率和 EMI 之間進(jìn)行權(quán)衡。如果效率和散熱性能同樣非常重要，則需要使用其他技術(shù)解決 EMI 相關(guān)的挑戰(zhàn)。 轉(zhuǎn)換器的?PCB?布局 表 1 至表 5 總結(jié)了通過(guò)優(yōu)化 PCB 布局及元器件排布削弱 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 EMI 信號(hào)的基本準(zhǔn)則。我將在本文的后續(xù)部分提供一項(xiàng) PCB 布局案例研究，探討如何優(yōu)化降壓轉(zhuǎn)換器的 EMI 特性。 表 1：布線及元器件排布。
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| 1 | 將所有功率級(jí)元器件排布在 PCB 頂部。 - 避免將電感放在底部，以免對(duì) EMI 測(cè)試裝置的基準(zhǔn)平面產(chǎn)生輻射。 |
| 2 | 將 VCC 或 BIAS 的旁路電容（從輸出端）放置于靠近各自引腳的位置。 – 在將 AGND 引腳與 GND 相連之前，首先電路中連入 CVCC?和 CBIAS?電容。 |
| 3 | 將自舉電容與鄰近的 BOOT 和 SW 引腳相連接。 - 利用鄰近的接地覆銅屏蔽 CBOOT?電容和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，降低 CM 噪聲。 |
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表 2：GND 平面設(shè)計(jì)。
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| 1 | 將 PCB 分層板中的第 2 層 GND 平面盡可能固定在靠近頂層的位置。 - 消除 H 場(chǎng)、降低寄生電感并屏蔽噪聲。 |
| 2 | 使用位于頂層與第二層之間的低 z 軸間距獲得最佳映像平面效果。 - 在 PCB 分層規(guī)范中將層間距定義為 6 mil。 |
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表 3：輸入和輸出電容。
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| 1 | 放置 CIN，盡量減小將 CIN?連接到 VIN 和 PGND 引腳所形成的回路面積。 |
| 2 | CIN?和 COUT?的接地返回路徑應(yīng)由集中放置的頂層平面組成。 - 使用多個(gè)外部或內(nèi)部 GND 平面連接 DC 電流路徑。 |
| 3 | 在 VIN 和 PGND 附近使用外殼尺寸為 0402 或 0603 的陶瓷輸入電容，以便最大限度減小寄生回路電感。 |
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表 4.電感和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)布局。
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| 1 | 將電感放置在 IC 的 SW 引腳附近。 - 盡量減小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅區(qū)域的表面積，避免電容過(guò)度耦合。 |
| 2 | 使用鄰近的接地保護(hù)并通過(guò)屏蔽限制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)噪聲。 |
| 3? | 檢查電感點(diǎn)位置，確保與 SW 相連的繞組末端位于電感繞組幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部的底部，由連接到 VOUT 的繞組的外層繞線提供屏蔽。 |
| 4 | 盡可能使用電場(chǎng)屏蔽電感。將屏蔽端子與 PCB 接地平面相連。 |
| ?5 | 選擇在封裝下方設(shè)有端子的電感。 - 避免使用可能產(chǎn)生天線輻射效應(yīng)的大型側(cè)壁式端接。 |
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表 5.EMI 管理。
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| 1 | 將 EMI 濾波器元器件排布在遠(yuǎn)離開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置。 - 如果 EMI 濾波器與功率級(jí)的分隔距離不足，可將 EMI 濾波器放在電路板上轉(zhuǎn)換器的對(duì)側(cè)。 |
| 2 | 在 EMI 濾波器下方的所有層上開(kāi)口，以防寄生電容路徑影響濾波器的衰減特性。 |
| 3 | 根據(jù)需要，可添加一個(gè)與 CBOOT?串聯(lián)的電阻（最好小于 10Ω），限制高側(cè) MOSFET 導(dǎo)通速度，從而降低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)換率，減少過(guò)沖和振鈴。 |
| 4 | 如果需要開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) RC 緩沖電路，可將封裝最小的元器件與 SW（通常為電容）相連。 |
| 5 | 使用具有內(nèi)部接地平面的四層 PCB，與雙層設(shè)計(jì)相比，其性能得到顯著提升。 - 避免阻斷 IC 附近的高頻電流路徑。 |
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EMI?輸入濾波器 圖 3 所示為典型的多級(jí) EMI 輸入濾波器。低頻和高頻部分可提供 DM 噪聲衰減，也可選擇 p 級(jí)，通過(guò) CM 扼流器提供 CM 衰減。標(biāo)記為 CBULK?的電解電容具有固有的串聯(lián)電阻 (ESR)，可用于設(shè)置所需阻尼，降低轉(zhuǎn)換器輸入的有效品質(zhì)因子，保持輸入濾波器的穩(wěn)定性。 DM 電感的自諧振頻率 (SRF) 限制濾波器第一級(jí)可實(shí)現(xiàn)的高頻 DM 衰減。濾波器第二級(jí)通常至關(guān)重要，其使用鐵氧體磁珠在高頻條件下提供附加的 DM 衰減，此時(shí)額定阻抗通常為 100MHz。標(biāo)記為 CF1?和 CF2?的陶瓷電容可將噪聲分流到接地端。
圖 3：具有 DM 和 CM 級(jí)的三級(jí) EMI 輸入濾波器 DM 濾波器的電感一般設(shè)置為削弱基波和低頻諧波的值。應(yīng)使用盡可能小的電感來(lái)滿足低頻濾波要求，因?yàn)樵褦?shù)較多的大電感具有較高的等效并聯(lián)電容 (EPC)，導(dǎo)致其 SRF 較高，影響其在高頻下的性能。 標(biāo)記為 LCM?的 CM 扼流器針對(duì) CM 電流提供較高的阻抗，其泄漏電感也可提供 DM 衰減。然而，在部分要求接地連接必須保持完好的應(yīng)用中，該元器件不適用，這些應(yīng)用需要更安靜的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，CM 扼流器不再是首選。 為了演示 CM 扼流器的效果，圖 4 展示了德州儀器 (TI) LM53603，這是一款采用雙層 PCB 的 36V、3A DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案 [7]。該器件的功率級(jí)位于頂層，EMI 輸入濾波器則放置于底部。如圖 4 中的布局所示，濾波器附近的接地平面覆銅區(qū)可借助過(guò)孔縫合提供屏蔽效果。此外，在濾波器級(jí)以下的所有層中插入敷銅層切口，可避免 VIN 和 GND 走線之間產(chǎn)生寄生電容，從而為噪聲電流提供繞過(guò) CM 扼流器的路徑并讓步于濾波器的阻抗特性。
圖 4：DC/DC 轉(zhuǎn)換器原理圖和 PCB 布局實(shí)施方案 圖 5 所示為國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 25 針對(duì)圖 4 的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在 150kHz 至 108MHz 之間進(jìn)行的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量。我們提供了使用與不使用 CM 扼流器兩種情況下的測(cè)量結(jié)果。使用 Rohde & Schwarz 的頻譜分析儀，所得檢測(cè)器掃描結(jié)果的峰值和平均值分別以黃色和藍(lán)色表示。紅色限值圖象為 5 類(lèi)峰值和平均值限值（峰值限值通常比平均值限值高出 20dB）。
圖 5：CISPR 25 在使用 CM 扼流器 (a) 與不使用 CM 扼流器 (b) 情況下進(jìn)行的傳導(dǎo) EMI 測(cè)量 金屬外殼屏蔽 另一種優(yōu)化高頻 EMI 性能的有效方式是添加金屬外殼屏蔽層，從而阻擋輻射電場(chǎng)。外殼通常由鋁制成，采用框架（敞開(kāi)式）或封閉式設(shè)計(jì)實(shí)施方案。屏蔽外殼可覆蓋除 EMI 濾波器之外的所有功率級(jí)元器件，外殼與 PCB 上的 GND 相連，基本形成了一個(gè)帶有 PCB 接地平面的法拉第籠。 這使得從開(kāi)關(guān)單元到 EMI 濾波器或長(zhǎng)輸入線連接（也用作天線）的輻射噪聲耦合顯著減少。當(dāng)然，這會(huì)產(chǎn)生額外的元器件和裝配成本，導(dǎo)致散熱管理和散熱測(cè)試的難度增加。鋁電解電容的外殼也可以提供電場(chǎng)屏蔽，為實(shí)現(xiàn)此目的，可在電路板上針對(duì)性地放置該電容。 DC/DC?轉(zhuǎn)換器案例研究 圖 6 為 60V、1.5A 單片式集成同步降壓轉(zhuǎn)換器電路的原理圖，該電路通過(guò)多項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)最佳 EMI 性能。該原理圖還顯示了一個(gè)兩級(jí) EMI 輸入濾波器級(jí)，旨在滿足汽車(chē)或噪聲敏感型工業(yè)應(yīng)用的 EMI 規(guī)范。為了幫助實(shí)現(xiàn)最佳的 PCB 布局，原理圖中將高電流走線（VIN、PGND、SW 連接）、噪聲敏感型網(wǎng)絡(luò) (FB) 和高 dv/dt 電路節(jié)點(diǎn)（SW、BOOT）突出顯示。
圖 6：采用 EMI 優(yōu)化型封裝和引腳布局的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。內(nèi)置一個(gè)兩級(jí) EMI 輸入濾波器 a.??引腳布局設(shè)計(jì) 圖 6 所示的轉(zhuǎn)換器 IC 優(yōu)勢(shì)在于，其 VIN 和 PGND 采用對(duì)稱(chēng)且均衡的引腳排布。該轉(zhuǎn)換器利用兩個(gè)并聯(lián)的輸入回路使寄生回路電感成功減半。上述回路在 PCB 布局中標(biāo)記為“IN1”和“IN2”，如圖 7 所示。兩個(gè)外殼尺寸為 0402 或 0603 的小型電容（在圖 6 中分別標(biāo)記為 CIN1?和 CIN3）放置在盡可能靠近 IC 的位置，最大限度減小輸入回路面積。兩個(gè)回路中的環(huán)流產(chǎn)生相反的磁矩，消除 H 場(chǎng)并降低有效電感。為了進(jìn)一步降低寄生電感，PCB 第 2 層（緊靠頂層電源電路的下方）的 IN1 和 IN2 回路下方設(shè)有返回電流的連續(xù)接地平面，可使場(chǎng)效應(yīng)自行消除。 在電感兩側(cè)各使用一個(gè)陶瓷輸出電容（COUT1?和 COUT2）同樣能夠優(yōu)化輸出電流回路。在輸出端引出兩個(gè)并聯(lián)的接地返回路徑可以將返回電流分成兩部分，有助于減弱“地彈反射”效應(yīng)。
圖 7：僅部署在 PCB 頂層的功率級(jí)布局 SW 引腳位于 IC 中心，因此輻射電場(chǎng)會(huì)由 IC 兩側(cè)相鄰的 VIN 和 PGND 引腳屏蔽。GND 平面覆銅區(qū)可對(duì)將 IC 的 SW 引腳連接到電感端子的多邊形覆層施加屏蔽。SW 和 BOOT 的單層布局意味著 PCB 的底側(cè)不會(huì)有 dv/dt 較高的過(guò)孔。這樣可以避免在 EMI 測(cè)試期間，電場(chǎng)與基準(zhǔn)接地平面耦合。 ?b.??封裝設(shè)計(jì) 與優(yōu)化的引腳排布類(lèi)似，電源轉(zhuǎn)換器 IC 封裝設(shè)計(jì)也是改善 EMI 信號(hào)的關(guān)鍵屬性。例如，德州儀器 (TI) 的 HotRod? 封裝技術(shù)采用引線框上倒裝芯片 (FCOL) 的方式，規(guī)避了功率器件線焊導(dǎo)致封裝寄生電感過(guò)高的情況。如圖 8 所示，IC 以上下翻轉(zhuǎn)的形式放置，IC 上的銅柱（也稱(chēng)為凸點(diǎn)或支柱）直接焊接到引線框架。這種構(gòu)造方法能夠提升密度并較薄的外型，因?yàn)槊總€(gè)引腳都與引線框架直接相連。從 EMI 角度來(lái)看，最重要的一點(diǎn)是，與傳統(tǒng)線焊封裝相比，HotRod 封裝降低了封裝的寄生電感。
圖 8：QFN 線焊封裝 (a) 和 HotRod FCOL (b) 封裝的結(jié)構(gòu)對(duì)比 HotRod 封裝不僅可以在開(kāi)關(guān)換向（50MHz 至 200MHz 頻率范圍）期間減少振鈴，還可以降低導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。圖 9 所示為開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓振鈴隨之得到改善的情況。圖 8 所示為圖 6 中的轉(zhuǎn)換器在 150kHz 至 108MHz 下測(cè)得的傳導(dǎo)發(fā)射。測(cè)量結(jié)果符合 CISPR 25 5 類(lèi)要求。
圖 9：使用傳統(tǒng)線焊封裝的轉(zhuǎn)換器 (a) 和 HotRod FCOL 轉(zhuǎn)換器 (b) 時(shí)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形
圖 10：CISPR 25 傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量結(jié)果，(a) 頻率范圍為 150kHz 至 30MHz，(b) 頻率范圍為 30MHz 至 108MHz 總結(jié) 在本文中，我討論了使用電源轉(zhuǎn)換器 IC 的 DC/DC 穩(wěn)壓器電路可以采用的 EMI 抑制技術(shù)。減弱 EMI 的 PCB 布局步驟包括盡量減小布局中的電流“熱回路”面積、避免阻斷電流路徑、采用具有內(nèi)部接地平面的四層 PCB 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)屏蔽（屏蔽效果遠(yuǎn)超雙層 PCB），以及通過(guò)盡量減小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅區(qū)域面積來(lái)降低電場(chǎng)輻射耦合。 轉(zhuǎn)換器封裝類(lèi)型是一項(xiàng)重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)，新一代器件的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴和引腳設(shè)計(jì)得到顯著提升，有助于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電容放置方案。從輸入濾波的角度而言，抑制低頻噪聲（通常小于 10MHz）相對(duì)容易，使用傳統(tǒng)的 LC 濾波器級(jí)即可實(shí)現(xiàn)。然而，抑制高頻噪聲（10MHz 以上）通常需要額外使用 CM 扼流器和/或鐵氧體磁珠濾波器級(jí)。焊接到 PCB 接地平面的金屬外殼屏蔽層也能有效減輕高頻發(fā)射。 在本系列文章的下一部分中，我將探討使用控制器驅(qū)動(dòng)分立式功率 MOSFET 的 DC/DC 穩(wěn)壓器電路適用的 EMI 抑制技術(shù)。根據(jù) EMI 進(jìn)行分析，這些技術(shù)更具挑戰(zhàn)性。
第 6 部分 — 采用離散 FET 設(shè)計(jì)的 EMI 抑制技術(shù)
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本系列文章的第 1 部分至第 5 部分中，介紹了抑制傳導(dǎo)和輻射電磁干擾 (EMI) 的實(shí)用指南和示例，尤其是針對(duì)采用單片集成功率 MOSFET 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器解決方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在此基礎(chǔ)上，本文繼續(xù)探討使用控制器驅(qū)動(dòng)分立式高、低側(cè)功率 MOSFET 對(duì)的 DC/DC 穩(wěn)壓器電路適用的 EMI 的抑制技術(shù)。使用控制器（例如圖 1 所示同步降壓穩(wěn)壓器電路中的控制器）的實(shí)現(xiàn)方案具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括能夠增強(qiáng)電流性能，改善散熱性能，以及提高設(shè)計(jì)選擇、元器件選型和所實(shí)現(xiàn)功能的靈活性。
圖 1：驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET Q1?和 Q2?的同步降壓控制器的原理圖 然而，從 EMI 角度來(lái)看，采用分立式 FET 的控制器解決方案與采用集成 FET 的轉(zhuǎn)換器相比，更具挑戰(zhàn)性。主要有兩方面的考量因素。首先，在緊湊性方面，采用 MOSFET 和控制器的功率級(jí)的印刷電路板 (PCB) 布局比不上采用優(yōu)化引腳布局和內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)器的功率轉(zhuǎn)換器集成電路 (IC) 。其次，對(duì)于死區(qū)時(shí)間管理，在 MOSFET 開(kāi)關(guān)時(shí)間在額定范圍的轉(zhuǎn)換器中通常更精確。因此，體二極管導(dǎo)通時(shí)間更短，從而能夠改善開(kāi)關(guān)性能并降低與反向恢復(fù)相關(guān)的噪聲。 本文提供與采用 MOSFET 和控制器及半橋設(shè)計(jì)的多層 PCB 相關(guān)指南，以實(shí)現(xiàn)出色的 EMI 性能。當(dāng)務(wù)之急是謹(jǐn)慎選擇功率級(jí)元器件和適合的 PCB 布局，最大程度地減小關(guān)鍵回路寄生電感。布局示例表明，可以在不犧牲效率或熱性能指標(biāo)的情況下減少傳導(dǎo)電磁輻射。 迎接?EMI?相關(guān)挑戰(zhàn) 產(chǎn)生 EMI 的三個(gè)基本要素包括：電噪聲源、耦合路徑及受擾接收器。應(yīng)對(duì)其中一個(gè)或所有基本要素，可以實(shí)現(xiàn)干擾抑制，從而實(shí)現(xiàn)合電磁兼容性 (EMC)。在實(shí)踐中，可以采用多種技術(shù)中斷耦合路徑和/或強(qiáng)化可能的受擾電路，例如插入 EMI 濾波器來(lái)抑制傳導(dǎo)干擾，借助屏蔽來(lái)降低輻射干擾等。 對(duì)于與降壓穩(wěn)壓器的不連續(xù)輸入電流（或升壓穩(wěn)壓器的不連續(xù)輸出電流）相關(guān)的低頻 EMI 頻譜幅值，采用傳統(tǒng)的濾波器級(jí)進(jìn)行處理相對(duì)容易。然而，與開(kāi)關(guān)換向期間電壓和電流的尖銳邊緣相關(guān)的高 dv/dt 以及 di/dt 會(huì)產(chǎn)生諧波分量，從而導(dǎo)致出現(xiàn)更大的問(wèn)題。高電流柵極驅(qū)動(dòng)器（在電壓低于 100V 時(shí)，通常集成在控制器中）可以以極高的速度開(kāi)關(guān)功率 MOSFET。傳統(tǒng)硅 FET 的轉(zhuǎn)換率通常大于 10V/ns和 1A/ns，基于氮化鎵 (GaN) 的器件轉(zhuǎn)換率可能更高。我對(duì)本文第 2 部分中梯形開(kāi)關(guān)波形的時(shí)域特性與其頻譜成分之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，闡述了波形的最陡斜率決定高頻頻譜的漸近包絡(luò)，因此，采用降低 dv/dt 和 di/dt 的方法有助于降低產(chǎn)生 EMI 的可能性。 除了電壓和電流的尖銳邊沿之外，與開(kāi)關(guān)波形相關(guān)的過(guò)沖/下沖及隨后產(chǎn)生的振鈴也非常棘手。圖 2 顯示了硬開(kāi)關(guān)同步降壓穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓振鈴頻率范圍為 50MHz 至 250MHz，具體取決于寄生功率回路電感的諧振 (LLOOP)及 MOSFET 輸出電容 (COSS)。此類(lèi)高頻分量可以通過(guò)近場(chǎng)耦合傳播到輸出總線、周邊元器件或輸入電源線，并且難以通過(guò)傳統(tǒng)濾波衰減。同步 MOSFET 體二極管反向恢復(fù)存在類(lèi)似的負(fù)面作用，當(dāng)二極管恢復(fù)電流流入寄生回路電感時(shí)，振鈴電壓升高。
圖 2：同步降壓穩(wěn)壓器在 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形和等效電路 圖 3 的原理圖標(biāo)出了降壓調(diào)節(jié)器電路 [6] 的關(guān)鍵高頻功率回路，代表了具有高轉(zhuǎn)換率電流的電路元件。可以對(duì)升壓、反相降壓-升壓、單端初級(jí)側(cè)電感轉(zhuǎn)換器 (SEPIC) 和其他拓?fù)溥M(jìn)行類(lèi)似檢查。最大限度縮減功率回路的面積至關(guān)重要，原因是該參數(shù)與寄生電感和相關(guān) H 場(chǎng)傳播成正比。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)減小寄生電感最大程度提升寄生 LC 諧振電路的諧振頻率。由此，降低存儲(chǔ)的無(wú)功能量總值，減少開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓峰值過(guò)沖和振鈴。此外，達(dá)到臨界阻尼因子的等效電阻實(shí)際上更低，因此任何振鈴都會(huì)更早衰減 - 在高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)增大回路的寄生電阻時(shí)更是如此。
圖 3：標(biāo)出了同步降壓穩(wěn)壓器中對(duì) EMI 至關(guān)重要的高頻電流回路 圖 3 中，還顯示了導(dǎo)通和關(guān)斷期間高側(cè)和低側(cè) MOSFET 的柵極驅(qū)動(dòng)器回路。務(wù)必遵從功率級(jí)布局期間的特殊注意事項(xiàng)（下文討論），確保功率回路、柵極回路和共源寄生電感都盡可能低。 實(shí)現(xiàn)低?EMI?的?PCB?布局設(shè)計(jì) 以下步驟總結(jié)了 DC/DC 穩(wěn)壓器中元器件位置和 PCB 布局的基本準(zhǔn)則，以幫助盡可能降低噪聲和 EMI 信號(hào)。其中一些步驟類(lèi)似于第 5 部分中針對(duì)采用集成 MOSFET 的基于轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)所介紹的步驟。在后續(xù)部分，我將提供 PCB 布局案例研究，探討如何優(yōu)化降壓穩(wěn)壓器 EMI 特性。
布線及元器件排布
將所有功率級(jí)元器件排布在 PCB 頂部。 —? 避免將開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅和電感放在底部，以免對(duì) EMI 測(cè)試裝置的基準(zhǔn)平面產(chǎn)生輻射。
將 VCC 或 BIAS 的旁路電容放置于靠近各自引腳的位置。 —? 在將 AGND 引腳與 GND 相連之前，首先電路中連入 CVCC?和 CBIAS?電容。
將臨近的自舉電容與控制器的 BOOT 和 SW 引腳相連接。 —? 利用鄰近的接地覆銅屏蔽 CBST?電容和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，降低共模噪聲。
GND?平面設(shè)計(jì)
將 PCB 分層板中的第 2 層接地平面盡可能放在靠近頂層功率級(jí)元器件的位置，以消除 H 場(chǎng)、降低寄生電感及屏蔽噪聲。
使用位于頂層與第二層接地平面之間的低 z 軸間距獲得最佳映像平面效果。 —? 在 PCB 分層規(guī)范中將層間距指定為 6 mil。? ? ?
輸入和輸出電容
放置降壓穩(wěn)壓器的 CIN，盡量減小將 CIN?連接到功率 MOSFET 所形成的回路面積。對(duì)于升壓穩(wěn)壓器和 SEPIC 穩(wěn)壓器的 COUT，同樣建議如此操作。 —? 功率回路分類(lèi)為橫向或縱向，具體取決于電容相對(duì)于 MOSFET 的放置位置。
CIN?和 COUT?的接地返回路徑應(yīng)由集中放置的頂層平面組成。 —? 使用多個(gè)外部或內(nèi)部 GND 平面連接 DC 電流路徑。
使用外殼尺寸為 0402 或 0603 的低等效串聯(lián)電感 (ESL) 陶瓷電容，并放在 MOSFET 附近，以最大限度地減小功率回路寄生電感。
電感和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)布局
將電感放置在靠近 MOSFET 的位置。 —? 盡量減小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅多邊形面積，從而盡量避免電容耦合及減小共模電流。覆銅區(qū)應(yīng)僅覆蓋電感焊盤(pán)并僅占用連接 MOSFET 端子所需的最小面積。
使用鄰近的接地保護(hù)并通過(guò)屏蔽限制開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)噪聲。
檢查電感點(diǎn)位置，確保與開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連的繞組末端位于繞組幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)部的底部，由連接到 VOUT（降壓穩(wěn)壓器）或 VIN（升壓穩(wěn)壓器）的繞組的外層繞線提供屏蔽。
選擇在封裝下方設(shè)有端子的電感。 —? 避免使用可能產(chǎn)生天線輻射效應(yīng)的大型側(cè)壁式端子。
盡可能使用電場(chǎng)屏蔽電感。將屏蔽端子與 PCB 接地平面相連。
柵極驅(qū)動(dòng)器布線
將控制器放置在盡可能靠近功率 MOSFET 的位置。 —? 連接 HO 和 SW 的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，應(yīng)分別采用最小的布線長(zhǎng)度和最小的回路面積，直接連接到高側(cè) MOSFET 柵極和源極端子。 —? 將 LO 的柵極驅(qū)動(dòng)器直接連接到接地平面上方的低側(cè) MOSFET 柵極，并盡量減小介電間距。 —? 對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行正交布線，盡量減少功率回路與柵極回路之間的耦合。
EMI?管理
連接 EMI 濾波器元器件時(shí)，應(yīng)避免由電感和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)輻射產(chǎn)生的電場(chǎng)形成耦合。 —? 如果 EMI 濾波器與功率級(jí)的分隔距離不足，可將 EMI 濾波器放在電路板上轉(zhuǎn)換器的對(duì)側(cè)。
在 EMI 濾波器下方的所有層上開(kāi)口，以防寄生耦合路徑影響濾波器的衰減特性。
根據(jù)需要，可添加一個(gè)與 CBOOT?串聯(lián)的電阻（最好小于 10Ω），限制 MOSFET 導(dǎo)通速度，從而降低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓轉(zhuǎn)換率，減少過(guò)沖和振鈴。 —? 自舉電阻會(huì)改變驅(qū)動(dòng)電流瞬變率，從而降低 MOSFET 導(dǎo)通期間的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和電流轉(zhuǎn)換率。
—? 為提高靈活性，可以考慮使用具有柵極驅(qū)動(dòng)器專(zhuān)用源極引腳和漏極引腳的控制器。
任何所需的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)緩沖電路都應(yīng)根據(jù)每次開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的瞬態(tài)電流峰值，占用最小的回路面積。 —? 將封裝尺寸最小的元器件連接到 SW（通常是電容），盡量降低其天線效應(yīng)。
使用具有內(nèi)部接地平面的多層 PCB，與雙層設(shè)計(jì)相比，其性能得到顯著提升?！? 避免阻斷 MOSFET 附近的高頻電流路徑。
考慮采用金屬外殼屏蔽優(yōu)化輻射 EMI 性能。 —? 屏蔽外殼可覆蓋除 EMI 濾波器之外的所有功率級(jí)元器件，外殼與 PCB 上的 GND 相連，基本形成了一個(gè)帶有 PCB 接地平面的法拉第籠。
DC/DC?同步降壓控制器案例研究 圖 4 顯示用于汽車(chē)應(yīng)用或噪聲敏感型工業(yè)應(yīng)用的同步降壓轉(zhuǎn)換器電路 [6] 的原理圖。其中融合了有助于改善 EMI 性能的多項(xiàng)特性，包括恒定開(kāi)關(guān)頻率操作、外部時(shí)鐘同步以及通過(guò)高側(cè) MOSFET 受控導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)整形（轉(zhuǎn)換率控制）。為了幫助實(shí)現(xiàn)最佳的 PCB 布局，原理圖中將高電流走線（VIN、PGND、SW 連接）、噪聲敏感型網(wǎng)絡(luò)（FB、COMP、ILIM）和高?dv/dt 電路節(jié)點(diǎn)（SW、BST、HO、LO、SYNC）突出顯示。高 di/dt 回路類(lèi)似于圖 3 中標(biāo)示的回路。
圖 4：DC/DC 降壓穩(wěn)壓器原理圖，其中標(biāo)示出 PCB 布局的重要節(jié)點(diǎn)和走線 圖 5 顯示了功率 MOSFET 及輸入電容的兩種橫向回路布局。功率級(jí)位于 PCB 頂層，控制器放置于底部。橫向回路設(shè)計(jì)在頂層存在循環(huán)電流（圖 5 中用白框表示），該電流在第二層接地平面上感應(yīng)出映像電流，以抵消磁通，從而降低寄生回路電感。 更具體來(lái)說(shuō)，修改圖 5b 中的布局，使高側(cè) FET (Q1) 旋轉(zhuǎn) 90 度。這樣可以改善 Q1 的散熱效果，從而更好地進(jìn)行熱管理，并可以在 MOSFET 附近方便地放置外殼尺寸為 0603 的低 ESL 電容 (Cin1)，以實(shí)現(xiàn)高頻去耦?？紤]到功率級(jí)元器件的 U 型布局方向，較短返回連接的輸出電容將放置在低側(cè) MOSFET。
圖 5：兩種傳統(tǒng)的橫向回路布局設(shè)計(jì) 改進(jìn)后的?PCB?布局設(shè)計(jì) 圖 6 所示為改進(jìn)后的布局，其優(yōu)勢(shì)是可減小功率回路面積，使多層結(jié)構(gòu)達(dá)到高效率。該設(shè)計(jì)將 PCB 的第 2 層用作功率回路返回路徑。該返回路徑位于頂層的緊下方，形成小尺寸物理回路。垂直回路中的反向電流可使磁場(chǎng)自行消除，從而進(jìn)一步減小寄生電感。圖 6 中的側(cè)視圖展示了在多層 PCB 結(jié)構(gòu)中形成小尺寸自行消除回路的概念。 將四個(gè) 0603 輸入電容放置在盡可能接近高側(cè) MOSFET 的位置（位于圖 6 中大容量輸入去耦電容 CIN1?與 CIN2?之間），這四個(gè)電容具有較小的 0402 或 0603 外殼尺寸及較低的 ESL。這些電容的返回連接通過(guò)多個(gè) 12 mil 的過(guò)孔連接到第 2 層接地平面。第 2 層接地平面在 MOSFET 的緊下方提供了至低側(cè) MOSFET 源極端子的電流返回路徑。
圖 6：采用垂直功率回路設(shè)計(jì)的功率級(jí)和控制器的布局 此外，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅多邊形區(qū)域只包含電感焊盤(pán)以及連接 MOSFET 所需的最小面積。接地平面覆銅區(qū)可屏蔽將 MOSFET 連接到電感端子的多邊形覆銅區(qū)。SW 和 BST 的單層布局意味著 PCB 的底側(cè)不會(huì)有 dv/dt 較高的過(guò)孔。這樣可以避免在 EMI 測(cè)試期間，電場(chǎng)與基準(zhǔn)接地平面耦合。最后，在電感兩側(cè)各使用一個(gè)陶瓷輸出電容 COUT1?和 COUT2，優(yōu)化輸出電流回路。在輸出端引出兩個(gè)并聯(lián)的返回路徑可以將返回電流分成兩部分，有助于減弱“地彈反射”效應(yīng)。 圖 7a 所示為，圖 4 中的穩(wěn)壓器采用圖 6 中的優(yōu)化布局時(shí)，使用寬帶探頭測(cè)得的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形。振鈴不明顯，只存在低幅度過(guò)沖和下沖，表示 50MHz 以上時(shí) EMI 性能良好。為進(jìn)行對(duì)比，圖 7b 顯示了采用圖 5b 所示橫向回路布局的類(lèi)似測(cè)量結(jié)果。優(yōu)化布局的峰值過(guò)沖降低約 8V。
圖 7：VIN?= 48V，IOUT?= 8A 時(shí)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形，(a) 為優(yōu)化布局，(b) 為橫向回路布局 圖 8 所示為圖 6 中的轉(zhuǎn)換器在 150kHz 至 108MHz 下測(cè)得的傳導(dǎo)發(fā)射。使用 Rohde & Schwarz 的頻譜分析儀，所得檢測(cè)器掃描結(jié)果的峰值和平均值分別以黃色和藍(lán)色表示。結(jié)果符合國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 25 5 類(lèi)要求。紅色限值圖象為 5 類(lèi)峰值和平均值限值（峰值限值通常比平均值限值高出 20dB）。
圖 8：CISPR 25 傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量結(jié)果，(a) 頻率范圍為 150kHz 至 30MHz，(b) 頻率范圍為 30MHz 至 108MHz 總結(jié) 功率半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)瞬變是傳導(dǎo) EMI 和輻射 EMI 的主要來(lái)源。本文重點(diǎn)介紹在使用控制器和外部 MOSFET 的 DC/DC 穩(wěn)壓器電路中，有助于降低 EMI 的 PCB 布局。關(guān)于布局的主要建議包括，盡量減小布局中的電流“熱回路”面積，避免阻斷電流路徑，采用具有內(nèi)部接地平面的多層 PCB 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)屏蔽（性能遠(yuǎn)超雙層 PCB），以差分對(duì)形式敷設(shè)短而直接的柵極驅(qū)動(dòng)器走線，以及通過(guò)盡量減小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅區(qū)域面積來(lái)降低電場(chǎng)輻射耦合。 優(yōu)化后的 PCB 布局有助于改善穩(wěn)壓器的 EMI 信號(hào)（與降低 EMI 的其他常用“修復(fù)”手段不同，不會(huì)犧牲效率或熱性能）。盡管本文圍繞 EMI 敏感的同步降壓功率級(jí)進(jìn)行論述，但只要能確定關(guān)鍵回路并實(shí)施文中建議采用的布局方法，通?？梢詫⑦@些概念推廣至任何 DC/DC 穩(wěn)壓器。
第 7 部分 — 反激式轉(zhuǎn)換器的共模噪聲
作者：Timothy Hegarty 本系列文章的第 5 和第 6 部分介紹有助于抑制非隔離 DC-DC 穩(wěn)壓器電路傳導(dǎo)和輻射電磁干擾 (EMI) 的實(shí)用指南和示例。當(dāng)然，如果不考慮電隔離設(shè)計(jì)，DC-DC 電源 EMI 的任何處理方式都不全面，因?yàn)樵谶@些電路中，電源變壓器的 EMI 性能對(duì)于整體 EMI 性能至關(guān)重要。 特別是，了解變壓器繞組間電容對(duì)共模 (CM) 發(fā)射噪聲的影響尤其重要。共模噪聲主要是由變壓器繞組間寄生電容以及電源開(kāi)關(guān)與底盤(pán)/接地端之間的寄生電容內(nèi)的位移電流所導(dǎo)致的。DC-DC 反激式轉(zhuǎn)換器已被廣泛用作隔離電源，本文專(zhuān)門(mén)對(duì)其 CM 噪聲進(jìn)行了分析。 反激式拓?fù)?/strong> DC-DC 反激式電路在工業(yè)與汽車(chē)市場(chǎng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，由于可輕松配置成單個(gè)或多個(gè)輸出，尤為適合低成本隔離式偏置軌。需要進(jìn)行隔離的應(yīng)用包括用于單相及三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的高壓 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)器，以及工廠自動(dòng)化和過(guò)程控制所用的回路供電傳感器和可編程邏輯控制器。? 反激式實(shí)現(xiàn)方案如圖 1 中的原理圖所示，該實(shí)現(xiàn)方案提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件器數(shù)量少的可靠解決方案。如果可以采用初級(jí)側(cè)穩(wěn)壓 (PSR) 技術(shù)，則反饋穩(wěn)壓無(wú)需使用光耦合器及其相關(guān)電路，從而能夠進(jìn)一步減少元器件數(shù)量，簡(jiǎn)化變壓器設(shè)計(jì)。具有功能型隔離的變壓器可直接實(shí)現(xiàn)電路接地隔離，而增強(qiáng)型隔離則用于安全要求極高的高壓應(yīng)用。
圖 1：采用典型的 24V 電源或 12V/48V 輸入（分別用于工業(yè)或汽車(chē)電池應(yīng)用）的 DC-DC 反激式穩(wěn)壓器。圖中已明確標(biāo)出具有磁化作用的反激式變壓器、漏電感以及電路寄生電容 反激式開(kāi)關(guān)波形特性 圖 2 所示為以非連續(xù)模式 (DCM) 和邊界導(dǎo)通模式 (BCM) 運(yùn)行的反激式功率級(jí)（如圖 1 所示）的初級(jí)側(cè) MOSFET 和次級(jí)側(cè)整流二極管電壓波形[8]。圖 2a 突出顯示了 DCM 模式下的開(kāi)關(guān)波形，其中初級(jí)側(cè) MOSFET 在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)諧振電壓擺幅的谷值附近導(dǎo)通。圖 2b 所示為 BCM 開(kāi)關(guān)波形，其中準(zhǔn)諧振 MOSFET 在從二次側(cè)繞組電流衰減到零起約半個(gè)諧振周期延遲之后導(dǎo)通。在 DCM 和 BCM 模式下，初級(jí)側(cè) MOSFET 均在零電流時(shí)導(dǎo)通。
圖 2：以 DCM (a) 和 BCM (b) 模式運(yùn)行的反激式轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè) MOSFET 和次級(jí)側(cè)二極管電壓波形；跨越初級(jí)側(cè)繞組的 DZ 電路可鉗位與漏電感相關(guān)的電壓尖峰 ?除了開(kāi)關(guān)期間尖銳的電壓和電流邊沿，對(duì)于 EMI，電壓尖峰過(guò)沖以及隨后產(chǎn)生的振鈴特性尤為棘手。每次換向都會(huì)激勵(lì)開(kāi)關(guān)與二極管寄生電容和變壓器漏電感之間的阻尼電壓和電流振蕩。圖 2 所示為 MOSFET 關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓前沿尖峰和高頻振鈴。振鈴特性取決于與 MOSFET 輸出電容 (COSS) 諧振的初級(jí)側(cè)漏電感 (LLK-P) 以及變壓器初級(jí)側(cè)繞組電容 (CP)。類(lèi)似地，二極管電壓振鈴取決于與二極管結(jié)電容 (CD) 諧振的二次側(cè)漏電感 (LLK-SEC) 及二次側(cè)繞組電容 (CS)。過(guò)沖和振鈴都會(huì)產(chǎn)生較高的瞬態(tài)電壓 (dv/dt)，因此任何至接地端的電容耦合都會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生感應(yīng)位移電流和 CM 噪聲。 以連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 工作時(shí)，主開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)反激二極管的反向恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生額外的負(fù)面作用，使振鈴電壓升高并產(chǎn)生前沿尖峰電流，隨著恢復(fù)電流反映到初級(jí)側(cè)而流入初級(jí)側(cè) MOSFET。注意，反激式磁性元器件主要相當(dāng)于耦合電感，因?yàn)殡娏魍ǔ２粫?huì)同時(shí)流入初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)繞組。只有在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間才能出現(xiàn)真正的變壓器行為[10]，此時(shí)電流同時(shí)流入初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)繞組（漏電感中的電流逐漸增大）。 隔離式?DC/DC?反激式轉(zhuǎn)換器中的?CM EMI 圖 3 所示為反激式穩(wěn)壓器的原理圖，其中連接有用于測(cè)量 EMI 的線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN)。紅色虛線表示穿過(guò)寄生電容到達(dá)接地端并返回到 LISN 的 CM 噪聲電流主要傳播路徑。電容 CZ?從初級(jí)側(cè)接地端 (PGND) 連接到次級(jí)側(cè)接地端 (SGND)，將次級(jí)側(cè)的 CM 電流分流回初級(jí)側(cè)，其作用是分流流經(jīng) CSE?并通過(guò) LISN 返回的 CM 電流。
圖 3：雙線 DC-DC 反激式穩(wěn)壓器（輸入端連接有 LISN）的 CM 噪聲電流傳播路徑。同時(shí)，還顯示了初級(jí)側(cè)基準(zhǔn)的輔助輸出端 盡管初級(jí)側(cè) MOSFET 漏極端子的高轉(zhuǎn)換率電壓是主要的 CM 噪聲源，但變壓器及其寄生電容是傳導(dǎo) EMI 從初級(jí)側(cè)傳播到次級(jí)側(cè)的耦合通道，并且噪聲通過(guò)阻抗從輸出電路傳播到接地端。CM 電流主路徑（在圖 3 中由 ICM-SEC?表示）為，從變壓器的初級(jí)側(cè)流到次級(jí)側(cè)，并通過(guò)阻抗從輸出電路流到接地端。與非隔離轉(zhuǎn)換器類(lèi)似，使用較小的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)覆銅面積，將 MOSFET 散熱器（如果需要）連接到 PGND，同時(shí)避免開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)完全通過(guò)過(guò)孔連接到電路板底部[7]，這些措施都能消除從 MOSFET 漏極到接地端的耦合（在圖 3 中用 ICM-PRI?表示）。? 對(duì)于此處所述的情況，與變壓器相關(guān)的以下三大考量因素適用。 首先，緊密耦合變壓器繞組可以最大限度地降低漏電感，從而實(shí)現(xiàn)高效率和高可靠性，同時(shí)降低開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力。交錯(cuò)設(shè)計(jì)是降低漏電感和繞組交流電阻的常用技術(shù)，因此，繞組間電容會(huì)相對(duì)變大。此外，對(duì)于具有印刷電路板 (PCB) 嵌入式繞組的平面變壓器，由于各個(gè)層堆疊緊密，各層的表面積大，因此，繞組間電容比傳統(tǒng)的繞線型設(shè)計(jì)更高。在任何情況下，將脈沖噪聲電壓源施加到這種分布式寄生電容，都會(huì)產(chǎn)生相對(duì)高的位移電流。該電流從初級(jí)側(cè)繞組流向次級(jí)側(cè)繞組，然后返回到接地端，從而產(chǎn)生較大的 CM 噪聲[11]。 其次，與寄生繞組間電容諧振的漏電感可能導(dǎo)致測(cè)得的 EMI 頻譜中出現(xiàn)明顯的高頻 CM 噪聲峰值。? 第三，由于磁芯材料介電常數(shù)較高，對(duì)電場(chǎng)的阻抗低，因此，由高 dv/dt 節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的雜散近電場(chǎng)很容易通過(guò)變壓器磁芯耦合。然而，如果將磁芯包上銅箔并將銅箔連接到 PGND，則磁芯與地之間的寄生電容 (CME) 會(huì)很小。 通常，反激式變壓器設(shè)計(jì)的優(yōu)化不僅關(guān)乎解決方案尺寸、外形、效率和熱性能，對(duì) CM 噪聲性能也有巨大影響。 CM?噪聲分析模型 圖 4a 所示為雙繞組變壓器，初級(jí)側(cè)端子和次級(jí)側(cè)端子分別由（A、B）和（C、D）表示。端子 A 根據(jù)輸入總線電容等效連接到 PGND，在 CM 噪聲分析的適用頻率下表現(xiàn)為有效短路。圖 4b 顯示的是變壓器的傳統(tǒng)靜電模型。從節(jié)能角度來(lái)看，可建立包含六個(gè)電容的雙繞組變壓器的寄生電容模型，其中包括四個(gè)繞組間電容（C1、C2、C3、C4）和兩個(gè)繞組內(nèi)電容（CP、CS）。 除了影響脈沖開(kāi)關(guān)電壓波形的 dv/dt 之外，繞組內(nèi)電容不影響從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的位移電流。此六電容此模型不必要地提高了復(fù)雜性，并增大了變壓器等效電容的計(jì)算難度。但是，用等效噪聲電壓源代替非線性開(kāi)關(guān)器件（根據(jù) CM 噪聲分析的替換定理[12]）時(shí)，會(huì)將一個(gè)獨(dú)立或非獨(dú)立的噪聲電壓源與變壓器繞組并聯(lián)，并且可以去除兩個(gè)繞組內(nèi)電容。繞組電容模型可簡(jiǎn)化為四個(gè)集總電容，如圖 4c 所示，圖中?vSW?和?vSW/NPS?分別是初級(jí)側(cè)繞組和次級(jí)側(cè)繞組上的開(kāi)關(guān)電壓源。假設(shè)漏電感較低，則繞組電壓會(huì)如預(yù)期般根據(jù)變壓器匝數(shù)比 NPS?變化。
圖 4.(a) 用于 CM 噪聲分析的雙繞組變壓器；(b) 六電容 CM 模型；(c) 四電容 CM 模型。 最后，當(dāng)其中一個(gè)變壓器繞組等效連接到獨(dú)立電壓源（以替代非線性開(kāi)關(guān)）時(shí)，兩個(gè)集總電容便足以表現(xiàn)出雙繞組變壓器繞組間寄生電容的特征。雙電容模型的推導(dǎo)與位移電流守恒原則一致[12,13]。如圖 5a 所示，可能的雙電容繞組電容模型總共有六種。圖 5b 顯示了其中一種可能的雙電容 CM 模型實(shí)現(xiàn)方案（使用電容 CAD?和 CBD）及其相應(yīng)的戴維寧等效電路。
圖 5：(a) 六種可能的雙電容 CM 模型；(b) 雙電容 CM 模型及其戴維寧等效電路 雙電容 CM 噪聲模型可靈活地用于不同的隔離型穩(wěn)壓器拓?fù)洌⒂兄谕ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量推導(dǎo)出變壓器集總電容模型[13]。CTOTAL?是用阻抗分析儀測(cè)得的變壓器結(jié)構(gòu)化繞組間電容，測(cè)量時(shí)將初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)端子短接，然后將變壓器用作單端口網(wǎng)絡(luò)。對(duì)初級(jí)側(cè)繞組端子（A、B）施加源阻抗為 50W 的開(kāi)關(guān)頻率正弦激勵(lì)信號(hào)，并測(cè)量 VAD?與 VAB?的電壓比，可由公式 1 推導(dǎo)出 CBD：
顯然，該模型的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)測(cè)量即可輕松推導(dǎo)出寄生電容，而無(wú)需了解變壓器結(jié)構(gòu)或電位沿繞組的分布情況[13]。? 反激式穩(wěn)壓器?CM?噪聲模型 圖 6 所示為具有初級(jí)側(cè)、次級(jí)側(cè)、輔助和屏蔽繞組的反激式變壓器的 CM 模型（與圖 3 類(lèi)似，但包含一個(gè)初級(jí)側(cè)接地屏蔽繞組）。NA?和 NSH?分別是初級(jí)側(cè)繞組與輔助繞組以及初級(jí)側(cè)繞組與屏蔽繞組的匝數(shù)比。對(duì)于初級(jí)側(cè)繞組與輔助繞組的耦合以及初級(jí)側(cè)繞組與屏蔽繞組的耦合，由于電流僅在初級(jí)側(cè)流動(dòng)，不會(huì)返回 LISN，因此對(duì)所測(cè)量的共模噪聲不產(chǎn)生影響，因此不考慮這些耦合。這樣，三個(gè) 4 電容電路便足以對(duì)初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)、輔助到次級(jí)側(cè)以及屏蔽到次級(jí)側(cè)繞組之間的耦合進(jìn)行建模。根據(jù)用作 CM 噪聲低阻抗的輸入電容，初級(jí)側(cè)繞組的端子 A 與 PGND 短接。
圖 6：(a) 多繞組反激式變壓器集總 CM 寄生電容模型；(b) 雙電容 CM 模型；(c) 戴維寧等效電路 根據(jù)前面的討論，只需要兩個(gè)獨(dú)立電容和一個(gè)電壓源即可描述 CM 特性，表達(dá)式已包括在圖 6 中。如前文所述，CTOTAL?是測(cè)得的短路初級(jí)側(cè)基準(zhǔn)繞組與短路次級(jí)側(cè)繞組之間的電容。 為建立圖 3 中反激式穩(wěn)壓器的 CM 噪聲模型，圖 7 中用方框突出表示了隨后替換為適當(dāng)雙電容 CM 變壓器模型的變壓器（包括初級(jí)側(cè)、次級(jí)側(cè)、輔助和屏蔽繞組）。根據(jù)替換定理，將電路中的非線性開(kāi)關(guān)器件替換為時(shí)域電壓或電流波形與原始器件完全相同的電壓或電流源時(shí)，電路中的所有電壓和電流都不會(huì)發(fā)生變化。因此，電壓波形與 MOSFET 的漏源極電壓相同的電壓源 (VSW) 將代替 MOSFET。同樣，電流波形與二極管電流相同的電流源 (IDOUT?和 IDCL) 將代替兩個(gè)二極管。替代后，電路中的電壓和電流保持不變。 同時(shí)，輸入和輸出電容對(duì) CM 噪聲的阻抗非常小，因此可將其阻抗忽略。CM 扼流器串聯(lián)阻抗表示為 ZCM-CHOKE，25W 測(cè)量電阻反映了 LISN 的特征。最后，去除了對(duì)流經(jīng) LISN 的 CM 噪聲沒(méi)有顯著影響的寄生電容。圖 7a 呈現(xiàn)了應(yīng)用替換定理后反激式穩(wěn)壓器的 CM 噪聲模型[14]。
圖 7：(a) 基于替換定理的反激式電路模型；(b) 應(yīng)用疊加定理后反激式穩(wěn)壓器的最終 CM 模型 ?與電壓源并聯(lián)或與電流源串聯(lián)的元器件對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的電壓或電流無(wú)影響，因此可以去除。疊加定理可幫助分別分析 IDCL、IDOUT?和 VSW?的作用。顯然，IDCL?和 IDOUT?已短路，不會(huì)產(chǎn)生 CM 噪聲。圖 7b 顯示的是最終 CM 模型，公式 2 可計(jì)算在 LISN 測(cè)得的 CM 噪聲電壓：
隨后，可以方便地應(yīng)用包含測(cè)得的 VSW?波形的電路仿真，對(duì) CM 噪聲以及各個(gè)元器件所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。如果假設(shè)漏電感的阻抗遠(yuǎn)低于總寄生繞組電容 CTOTAL，則可以認(rèn)為該模型是準(zhǔn)確的。顯然，減小 CBD?和增大 ZCM-CHOKE?或 CZ?都會(huì)導(dǎo)致噪聲電壓降低。注意，如果根據(jù)公式 1 測(cè)得的 VAD?為零，則 CBD?實(shí)際上是零，基本上消除了通過(guò)變壓器的 CM 噪聲。這是非常方便的測(cè)試變壓器是否平衡的手段。 基于雙電容變壓器模型的 CM 噪聲模型的一般推導(dǎo)過(guò)程遵循以下六個(gè)步驟：
應(yīng)用替換定理，將非線性半導(dǎo)體器件替換為等效電壓源或電流源。替換的原則是，獲得易于分析的 CM 噪聲電路，同時(shí)避免電壓回路和電流節(jié)點(diǎn)。電壓源和電流源的時(shí)域波形應(yīng)與原始器件相同。輸入電容和輸出電容對(duì) CM 噪聲的阻抗非常小，因此視為短路。
如果將其中一個(gè)變壓器繞組與電壓源并聯(lián)，則將所有其他繞組替換為受控電壓源，因?yàn)槔@組電壓取決于變壓器匝數(shù)比。
去除所有與電壓源并聯(lián)或與電流源串聯(lián)的元器件，簡(jiǎn)化模型。
用圖 5a 中最能簡(jiǎn)化 CM 噪聲分析的其中一個(gè)雙電容模型替換原來(lái)的變壓器。
根據(jù)疊加定理，分析由所有電壓源和電流源產(chǎn)生的 CM 噪聲。
分析使用步驟 1 到 5 創(chuàng)建的電路，去除對(duì)流經(jīng) LISN 的 CM 噪聲無(wú)影響的寄生電容。根據(jù)所得的 CM 噪聲模型檢查 CM 噪聲電流。
總結(jié) 從 EMI 的角度來(lái)看，傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)隔離式轉(zhuǎn)換器與非隔離式轉(zhuǎn)換器相比更具挑戰(zhàn)。近來(lái)，業(yè)界對(duì)于隔離式 DC-DC 穩(wěn)壓器中高頻變壓器的性能要求愈發(fā)嚴(yán)苛，尤其是在 EMI 方面。變壓器不斷變化的繞組間電容相當(dāng)于 CM 噪聲的關(guān)鍵耦合路徑。 所提出的變壓器雙電容模型應(yīng)用廣泛，使用簡(jiǎn)單，這是因?yàn)槠浼傠娙菘赏ㄟ^(guò)一種簡(jiǎn)單的測(cè)量方法輕松量化。在本 EMI 系列文章的下一部分，將采用該模型設(shè)計(jì)隔離型轉(zhuǎn)換器的 EMI 抑制技術(shù)并對(duì)其進(jìn)行表征，其中包括噪聲平衡及噪聲消除等內(nèi)容。
第 8 部分 — 隔離式 DC/DC 電路的共模噪聲抑制方法 ?
業(yè)界對(duì)于隔離式 DC-DC 穩(wěn)壓器中高頻變壓器的性能要求愈發(fā)嚴(yán)苛，尤其是在抗電磁干擾 (EMI) 方面。在本系列文章的第 7 部分[1-7]?中，我們?cè)敿?xì)探討了隔離式反激穩(wěn)壓器中共模 (CM) 噪聲的主要來(lái)源和傳播路徑。 高瞬態(tài)電壓 (dv/dt) 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)是共模噪聲的主要來(lái)源，而變壓器的繞組間分布電容則是共模噪聲的主要耦合路徑。在第 7 部分中，我們?cè)诤?jiǎn)單方便的雙電容變壓器模型基礎(chǔ)上，采用共模噪聲等效電路來(lái)模擬流經(jīng)變壓器電容的位移電流。在此期間，僅需使用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和一個(gè)示波器即可提取寄生電容并確定變壓器共模噪聲性能的特征，而無(wú)需進(jìn)行在線測(cè)試。 在第 8 部分，我們將探討隔離式 DC/DC 電路的共模噪聲抑制方法。工作在高輸入電壓下的轉(zhuǎn)換器（例如，電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)和射頻功放電源中的相移式全橋轉(zhuǎn)換器[8]?和 LLC 串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器[9]）會(huì)產(chǎn)生較大的共模電流。在采用氮化鎵開(kāi)關(guān)器件時(shí)，這種情況更為明顯，因?yàn)榇祟?lèi)器件的開(kāi)關(guān)速度 dv/dt 高于硅材質(zhì)的同類(lèi)器件。 對(duì)于隔離式設(shè)計(jì)，有多種抑制共模噪聲的方法，包括采用對(duì)稱(chēng)的電路布局、在初級(jí)側(cè)接地端與次級(jí)側(cè)接地端之間連接一個(gè)電容、加入屏蔽層、增加平衡電容、優(yōu)化變壓器繞組設(shè)計(jì)以及使用可調(diào)節(jié)共模噪聲消除輔助繞組。本文將以反激電路為重點(diǎn)，逐一解讀這些方法。 對(duì)稱(chēng)式電路設(shè)計(jì) 在對(duì)稱(chēng)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，與地之間形成互補(bǔ)電勢(shì)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)成對(duì)出現(xiàn)。如果關(guān)聯(lián)寄生電容相同，則產(chǎn)生的共模位移電流基本可以相互抵消。圖 1a 為雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器（例如德州儀器 (TI) 的 LM5015）的原理圖[10,11]。圖 1b 為采用分立式初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)繞組的反激轉(zhuǎn)換器。這兩種轉(zhuǎn)換器的初級(jí)側(cè)電路均采用對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)，具有異相電壓開(kāi)關(guān)波形（SW1 和 SW2），可產(chǎn)生相反極性的共模電流，從而降低總共模噪聲。
圖 1：平衡繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用對(duì)稱(chēng)式初級(jí)側(cè)電路和等幅異相 dv/dt 開(kāi)關(guān)波形，具有更低共模噪聲：(a) 雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器；(b) 采用分立式初級(jí)和次級(jí)繞組的反激轉(zhuǎn)換器 ?圖 1a 為雙開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，盡管這種結(jié)構(gòu)早已為人所熟知，但其在共模噪聲抑制方面的優(yōu)勢(shì)卻并未得到充分重視。圖 1b 為平衡繞組反激轉(zhuǎn)換器，其次級(jí)繞組同樣采用對(duì)稱(chēng)式設(shè)計(jì)。分立式繞組通?？梢越诲e(cuò)纏繞，以降低漏電感。這種電路的主要缺點(diǎn)是需要一個(gè)以 SW2 為基準(zhǔn)點(diǎn)的浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器。 對(duì)于單開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，也可以采用?lèi)似的對(duì)稱(chēng)式平衡繞組設(shè)計(jì)，如圖 2 所示。改進(jìn)后的對(duì)稱(chēng)電路需要額外增加一些元件，例如正激轉(zhuǎn)換器中的浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器和 LLC 諧振電路中的附加開(kāi)關(guān)，并且只有在變壓器的物理繞組結(jié)構(gòu)產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的寄生電容時(shí)才會(huì)產(chǎn)生共模衰減的效果。因此通常情況下，需要采用其他方法來(lái)抑制共模噪聲，并使用傳統(tǒng)的隔離式拓?fù)潆娐贰?/p>
圖 2：對(duì)單開(kāi)關(guān)正激轉(zhuǎn)換器 (a) 和 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器 (b) 采用對(duì)稱(chēng)式初級(jí)側(cè)繞組設(shè)計(jì) 在初級(jí)地與次級(jí)地之間連接一個(gè)電容 在三線 AC-DC 應(yīng)用中，通常會(huì)在 EMI 輸入濾波器中通過(guò)一個(gè) Y 電容將火線和零線連接到機(jī)箱地，用以衰減共模噪聲。但在雙線 DC-DC 系統(tǒng)中，由于沒(méi)有機(jī)箱地連接點(diǎn)，因此無(wú)法連接 Y 電容。在這類(lèi)系統(tǒng)中，可以在初級(jí)側(cè)接地端 (P-GND) 與次級(jí)側(cè)接地端 (S-GND) 之間連接一個(gè)替代電容，將傳播到次級(jí)側(cè)的共模電流分流回初級(jí)側(cè)。 請(qǐng)參見(jiàn)第 7 部分圖 1 中的 CZ?電容。該元件是一種安全級(jí)電容，額定電壓為 1 kV 或更高，遠(yuǎn)高于所需的隔離電壓規(guī)格。然而這種電容一旦在故障狀況下出現(xiàn)短路，就會(huì)大大影響電流隔離效果。此外，如果 S-GND 連接的共模電壓擺幅相對(duì)于初級(jí)側(cè)過(guò)大（例如在高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器偏置電源應(yīng)用中），電容傳導(dǎo)的電流就會(huì)過(guò)大。同時(shí)，如果 DC-DC 級(jí)的前端是一個(gè) AC-DC 前端整流器，則該電容可能會(huì)傳導(dǎo)工頻泄漏電流，這在實(shí)際應(yīng)用中可能是不允許的，也是受到監(jiān)管要求限制的[12-15]。 共模噪聲的平衡與消除方法 平衡方法分為變壓器內(nèi)部平衡和外部平衡，可以降低與變壓器繞組電容相關(guān)的共模噪聲。內(nèi)部平衡方法包括應(yīng)用屏蔽層[16-18]、優(yōu)化繞組設(shè)計(jì)以及使用噪聲消除繞組。而外部平衡方法最常見(jiàn)的是在所選初級(jí)和次級(jí)繞組端子之間加入一個(gè)平衡電容[12]。 屏蔽 屏蔽方法通過(guò)插入導(dǎo)線或金屬箔屏蔽層來(lái)降低流經(jīng)繞組間電容的位移電流，從而阻止變壓器初級(jí)側(cè)繞組與次級(jí)側(cè)繞組之間的近場(chǎng)耦合。 例如，圖 3a 是一個(gè)反激轉(zhuǎn)換器，其初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間加入了一個(gè)傳統(tǒng)的單匝金屬箔屏蔽繞組。圖 3b 是 RM 型磁芯的示意圖，磁芯配有帶氣隙的中柱和垂直放置的繞組。在這半個(gè)繞組窗口中，共有兩個(gè)串聯(lián)的初級(jí)層 (2 x 12T)、一個(gè)次級(jí)層 (1 x 8T) 和一個(gè)屏蔽層。繞組采用非交錯(cuò)式分層布局，分為 P1、P2、SH1 和 S1 四層。圖中還顯示了繞組層間寄生電容。
圖 3：(a) 反激轉(zhuǎn)換器，其初級(jí)層與次級(jí)層之間帶有傳統(tǒng)的金屬箔靜電屏蔽繞組，該屏蔽層連接到 P-GND；(b) 變壓器繞組窗口內(nèi)的繞組層結(jié)構(gòu) 在初級(jí)層 P2 與次級(jí)層 S1 之間，加入了一個(gè)單屏蔽層 SH1。該屏蔽層通常連接回初級(jí)側(cè)電路中的靜態(tài)電位點(diǎn)，例如圖 3 所示的本地 P-GND 或輸入電容的正極端子，即靜態(tài)交流節(jié)點(diǎn)。這樣可以阻止 P2 和 S1 之間的電耦合，并消除 P2 與 S1 之間的位移電流。 加入屏蔽層后，ipsh?將經(jīng)由屏蔽層返回 P-GND，而不是流經(jīng)輸出端而返回機(jī)箱地。但是，屏蔽層與相鄰次級(jí)繞組之間的電容依然存在。由于單匝屏蔽繞組與次級(jí)繞組的感應(yīng)電壓存在差異（單匝次級(jí)繞組除外），因此在屏蔽層與次級(jí)繞組之間必然存在共模電流?？筛挠幂o助繞組的抽頭來(lái)驅(qū)動(dòng)屏蔽繞組，使屏蔽繞組的平均電壓與次級(jí)繞組的平均電壓相符，以實(shí)現(xiàn)共模平衡[18]。 注意，由于磁芯采用高介電常數(shù)材料，圖 3 中 P1 層和 S1 層之間會(huì)存在耦合。所以，盡管單屏蔽層有助于減弱共模噪聲，但并不能徹底消除。此外，還有一個(gè)缺點(diǎn)是，隨著初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)間邊界數(shù)量的增加，需要的屏蔽層也越來(lái)越多。重要的是，屏蔽層會(huì)增大繞組之間的空間，從而導(dǎo)致漏電感增加。通常而言，應(yīng)盡可能減小銅箔屏蔽層的厚度，以減少因鄰近效應(yīng)引起的渦流損耗。在高開(kāi)關(guān)頻率下，屏蔽層中的損耗會(huì)變得過(guò)大，而且屏蔽層也會(huì)使反射到開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的總寄生電容增大。 平衡電容的值與位置 圖 4a 為帶初級(jí)側(cè)、次級(jí)側(cè)和輔助變壓器繞組的反激轉(zhuǎn)換器的原理圖。NPS?和 NAUX?分別代表初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)繞組匝數(shù)比以及初級(jí)側(cè)與輔助繞組匝數(shù)比。對(duì)于初級(jí)側(cè)繞組與輔助繞組而言，由于電流僅在初級(jí)側(cè)流動(dòng)，對(duì)共模噪聲不產(chǎn)生影響，因此不考慮這兩者之間的耦合。在第 7 部分中我們?cè)懻撨^(guò)，通過(guò)兩個(gè) 4 電容電路即可對(duì)初級(jí)側(cè)繞組與次級(jí)側(cè)繞組之間以及輔助繞組與次級(jí)側(cè)繞組之間的耦合進(jìn)行建模（如圖 4b 所示）。
圖 4：(a) 帶輔助繞組的反激轉(zhuǎn)換器；(b) 三繞組反激變壓器的集總共模寄生電容模型；(c) 使用雙電容變壓器模型的共模噪聲等效電路 如果輸入電容對(duì)共模噪聲呈現(xiàn)低阻抗特性，則初級(jí)側(cè)繞組的端子 A 與 P-GND 之間短路?？梢允褂煤?jiǎn)化的雙電容變壓器模型，再以 ZSE?模擬 S-GND 與大地之間的電容耦合，最終的共模噪聲等效電路模型見(jiàn)圖 4c（有關(guān)更多相關(guān)信息和描述，請(qǐng)參見(jiàn)第 7 部分）。 公式 1 用于計(jì)算線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 中的共模噪聲電壓。從中可以看出，降低電容 CBD?可以使噪聲電壓降低。
公式 2 是 CBD?的理論表達(dá)式，該值可使用第 7 部分介紹的方法基于公式 3 進(jìn)行計(jì)算：
可以通過(guò)增大公式 2 中各負(fù)項(xiàng)的值，將 CBD?平衡為零[13]。最簡(jiǎn)單的方法是在初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)間變壓器端子 A 和 C 之間的 C3 上并聯(lián)一個(gè)電容。這一外部平衡電容的值為 CEXT?= NPSCBD。 同樣，如果 CBD?為負(fù)值（VAD?和 VAB?電壓異相），則在端子 B 與 D 之間的 C4 上并聯(lián)一個(gè)等于 |CBD| 的平衡電容，可實(shí)現(xiàn)平衡。注意，根據(jù)公式 3，如果測(cè)得的 VAD?為零，則 CBD?也相當(dāng)于零，基本消除了通過(guò)變壓器的共模噪聲。這是非常方便的測(cè)試變壓器是否平衡的手段。 繞組設(shè)計(jì) 除了使用平衡電容外，還可以通過(guò)調(diào)整變壓器繞組層的位置，來(lái)優(yōu)化共模平衡。根據(jù)成對(duì)繞組層的設(shè)計(jì)理念[12-15]，變壓器初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)的層具有相似的 dv/dt，因此，這些層的交錯(cuò)重疊不會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。繞組間電容兩端的平均電壓具有相似的幅值和極性，也可以最大程度減小甚至消除流經(jīng)電容的共模電流。 一個(gè)最基本的原則就是，確保相鄰的初級(jí)側(cè)繞組層與次級(jí)側(cè)繞組層具有相似的電壓分布。如果繞組間寄生電容均勻分布于兩個(gè)成對(duì)繞組層之間，可以使電容的 dv/dt 保持為零，這樣便不會(huì)產(chǎn)生共模電流。 以圖 4a 的反激轉(zhuǎn)換器為例，其變壓器為交錯(cuò)式三繞組（初級(jí)側(cè)、次級(jí)側(cè)、輔助）變壓器。盡管交錯(cuò)式設(shè)計(jì)會(huì)增大繞組間電容，但出于降低漏電感和鄰近效應(yīng)損耗的考慮，必須采用這種設(shè)計(jì)。圖 5a 是反激變壓器的半個(gè)繞組窗口，該變壓器包含三個(gè)串聯(lián)初級(jí)層 (3 x 12T)、兩個(gè)并聯(lián)次級(jí)層 (2 x 9T) 和一個(gè)輔助/偏置繞組層 (1 x 15T)。
圖 5：(a) 采用夾層繞組層結(jié)構(gòu)的反激變壓器；(b) 繞組窗口內(nèi)各繞組層的電壓分布 圖 5b 為在電壓沿繞組線性分布情況下的繞組電壓分布圖。為最大程度降低共模噪聲，應(yīng)使初級(jí)側(cè)繞組層與次級(jí)側(cè)繞組層之間相鄰繞組層的平均電壓差達(dá)到最低。因此如圖 5a 所示，將交錯(cuò)繞組層的排列順序設(shè)計(jì)為 S1-P1-S2-AUX-P2-P3。 采用如圖 5a 所示的端子連接時(shí)，P1 與 S1 或 S2 之間的平均電壓差最低。如圖 5a 所示，P1 始于 VIN（靜態(tài)節(jié)點(diǎn)），與兩個(gè)并聯(lián)次級(jí)層 S1 和 S2 相鄰。與之類(lèi)似，AUX 繞組與 S2 層相鄰，因?yàn)?AUX 與 S2 之間的電壓差小于 S2 與 P2 或 P3 之間的電壓差。由于 AUX 與 P2 繞組均位于初級(jí)側(cè)，因此兩者之間的電壓差不會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。兩者之間的位移電流同樣在轉(zhuǎn)換器初級(jí)側(cè)流動(dòng)，不會(huì)被 LISN 視為 EMI。相反，如果采用 P1-S1-P2-S2-AUX-P3 這種完全交錯(cuò)的繞組結(jié)構(gòu)，由于 S1 與 P2 以及 P2 與 S2 這兩對(duì)繞組層之間的平均電壓差增大，共模噪聲將明顯增強(qiáng)。 可調(diào)節(jié)噪聲消除輔助繞組 圖 6 中的 AdjAUX 是一個(gè)可調(diào)節(jié)噪聲消除輔助繞組層，纏繞在次級(jí)層 S1 的外側(cè)，用以平衡繞組層內(nèi)未完全消除的共模噪聲[13,14]。AdjAUX 的一個(gè)端子連接到 P-GND，另一個(gè)端子處于懸浮狀態(tài)。
圖 6：(a) 在外層增加可調(diào)節(jié)輔助繞組用以消除共模噪聲的原理圖；(b)繞組排列情況；(c) 電壓和電流分布 由于 AdjAUX 與 S1 之間的電壓差為負(fù)值，因此位移共模電流從 S1 流向 AdjAUX 繞組，再流回初級(jí)側(cè)。由于 P1 與 S1、P1 與 S2 以及 AUX 與 S2 層之間的電壓差為正值（本例中 P1 和 AUX 的匝數(shù)多于 S1 和 S2 的匝數(shù)），因此這樣有助于消除從 P1 流向 S1 和 S2 以及從 AUX 流向 S2 的位移共模電流。如圖 6b 所示，AdjAUX 繞組位于變壓器繞組的外層，因此可以方便地通過(guò)調(diào)整匝數(shù)來(lái)有效消除噪聲。 如圖 6c 所示，當(dāng) AdjAUX 繞組始于繞組窗口的頂部時(shí)，AdjAUX 與 S1 層之間的電壓差最大，需要較少匝數(shù)來(lái)達(dá)到消除噪聲的效果，而如果 AdjAUX 繞組位于窗口底部，則需要的匝數(shù)就會(huì)更多。 由于 AdjAUX 繞組不靠近氣隙，會(huì)產(chǎn)生零磁場(chǎng)，因而沒(méi)有渦流功率損耗。這樣，變壓器交流繞組損耗低于采用傳統(tǒng)屏蔽層時(shí)的損耗。同時(shí)，由于繞組層之間沒(méi)有屏蔽層，繞組間的互耦增高，使得漏電感降低[18]。最后，可以結(jié)合第 7 部分介紹的變壓器平衡檢測(cè)技術(shù)，來(lái)方便地設(shè)計(jì) AdjAUX 繞組層，無(wú)需任何在線測(cè)試。 總結(jié) 共模噪聲是高頻隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。為了提高功率密度，設(shè)計(jì)師們往往會(huì)考慮增大開(kāi)關(guān)頻率。而隨著開(kāi)關(guān)頻率的增大，初級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的高 dv/dt 以及通過(guò)變壓器繞組間電容的相關(guān)共模干擾已經(jīng)給系統(tǒng)帶來(lái)不利影響。要降低共模噪聲，可以采用對(duì)稱(chēng)式拓?fù)湓O(shè)計(jì)、加入屏蔽層以及平衡電容等方法。在進(jìn)行繞組設(shè)計(jì)時(shí)，也可以通過(guò)正確布置變壓器層以及在繞組層端子與電路節(jié)點(diǎn)間選擇最優(yōu)的連接，來(lái)達(dá)到降噪的目的。此外，在變壓器外側(cè)纏繞輔助的噪聲消除繞組也可以平衡共模噪聲。對(duì)于某些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以單獨(dú)這些方法，而為了滿足規(guī)范要求并解決復(fù)雜的共模噪聲問(wèn)題，也可以發(fā)揮這些方法的組合優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到提高降噪效果的目的。
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第 9 部分 — 擴(kuò)頻調(diào)制 ?
削弱電磁干擾 (EMI) 是所有電子系統(tǒng)中存在的問(wèn)題。許多規(guī)范將電磁兼容性 (EMC) 與適應(yīng)規(guī)定屏蔽下干擾功率譜級(jí)的能力相關(guān)聯(lián)，恰恰證明了這一點(diǎn) [1]。尤其是高頻開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器，開(kāi)關(guān)換向過(guò)程中存在的高轉(zhuǎn)換率電壓和電流可能在穩(wěn)壓器自身（EMI 源）以及附近的敏感電路（受 EMI 干擾的設(shè)備）中產(chǎn)生嚴(yán)重的傳導(dǎo)和輻射干擾。本系列文章 [1-8] 的第 5 部分和第 6 部分回顧了多種適用于非隔離穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的 EMI 抑制技術(shù)。第 7 部分和第 8 部分回顧了隔離設(shè)計(jì)中的共模 (CM) 噪聲及其抑制技術(shù)。
一般而言，遵守電磁標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于開(kāi)關(guān)電源愈發(fā)重要，這不僅局限于總光譜能量過(guò)大，更多的原因是能量集中在基本開(kāi)關(guān)頻率及其諧波的特定窄帶中。為此，第 9 部分提出通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)頻 (SSFM) 技術(shù)將頻譜能量分配到頻譜中，使基波和諧波噪聲峰值幅值變得平整。圖 1 所示的擴(kuò)頻效應(yīng)可作為本系列文章前幾部分中介紹的 EMI 抑制技術(shù)的補(bǔ)充降噪方法。
圖 1：擴(kuò)頻效應(yīng)
擴(kuò)頻調(diào)制
本系列文章第 5 部分和第 6 部分中探討的 EMI 抑制技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注減小天線因子，實(shí)現(xiàn)方式為謹(jǐn)慎使用高轉(zhuǎn)換率電流 (di/dt) 回路布局以及采用適當(dāng)?shù)木彌_電路和柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)來(lái)避免劇烈的瞬態(tài)電壓 (dv/dt)。這些方法通過(guò)降低總功率來(lái)調(diào)整傳導(dǎo)噪聲和/或輻射噪聲功率頻譜的形狀，主要對(duì)高頻有效，對(duì)于低頻的作用效果可能較為有限。 相反，1992 年首次針對(duì) DC/DC 轉(zhuǎn)換器提出的擴(kuò)頻調(diào)制（也稱(chēng)為抖動(dòng)）[9] 希望在不影響總噪聲功率的前提下針對(duì)傳導(dǎo)和輻射干擾功率譜的形狀進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)在時(shí)域中對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制 (FM)，會(huì)根據(jù)調(diào)制信號(hào)在頻域中對(duì)基波和諧波分量進(jìn)行掃頻 [9-14]。如圖 1 所示，每個(gè)諧波均轉(zhuǎn)化為若干個(gè)幅值較小的邊帶諧波。
噪聲頻譜從大頻譜峰值集中在開(kāi)關(guān)頻率及其諧波處的一系列頻譜變?yōu)楦悠骄?、峰值更小并且更加連續(xù)的頻譜。 從實(shí)際 EMC 的角度來(lái)看，當(dāng)窄帶 EMI 源的信號(hào)頻率與受 EMI 干擾的敏感頻率范圍相匹配時(shí)，可在給定時(shí)間窗口內(nèi)傳輸大量功率，受 EMI 干擾的設(shè)備受到干擾或發(fā)生故障的概率隨之增大。如果將 EMI 源信號(hào)擴(kuò)展到大于受 EMI 干擾設(shè)備的敏感帶寬，耦合到受干擾設(shè)備的噪聲功率隨之減小，從整體改善 EMI 性能和可靠性。
周期性調(diào)制函數(shù)
周期性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的主要作用是將各諧波擴(kuò)展到預(yù)設(shè)頻段，降低峰值幅值并減弱 EMI 水平。在這一背景下，公式 1 提供了通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制對(duì)正弦載波進(jìn)行調(diào)頻的一般分析表達(dá)式：
其中?A?是未調(diào)制信號(hào)的幅值，fc?為載波頻率，Δf?是頻率偏差。 歸一化周期調(diào)試函數(shù)為?ξ(t)，反映了擴(kuò)頻的頻率變化。表 1 列出了正弦波、三角波和指數(shù)（也稱(chēng)為三次方或“好時(shí)之吻”）調(diào)制曲線 [10] 的數(shù)學(xué)表達(dá)式。其中，kT?是三角波曲線的對(duì)稱(chēng)指數(shù)，取值范圍為 0 到 1，p?用于指定指數(shù)曲線的凹度系數(shù)。如果?kT?為 0.5，則三角波曲線具有對(duì)稱(chēng)的三角形圖案。
表 1：正弦波、三角波和指數(shù)調(diào)制曲線，其中 fm?和 Tm?分別為調(diào)制信號(hào)頻率和周期 ?圖 2 所示為采用 10kHz 調(diào)制頻率的正弦波、三角波和指數(shù)調(diào)制信號(hào)。圖中還可以看出，通過(guò)調(diào)制 100kHz 正弦載波信號(hào)得出的相應(yīng)擴(kuò)頻結(jié)果與公式 1 一致。每個(gè)圖象的頂部均指出明顯的瞬時(shí)載波工作頻率。
圖 2：fc?= 100 kHz、Df = 50 kHz、fm?= 10 kHz、kT?= 0.5 和 p = 70 kHz 時(shí)的正弦波 (a)；三角波 (b) 和指數(shù) (c) 調(diào)制曲線 其它相關(guān)項(xiàng)分別為公式 2 和 3 得出的調(diào)制系數(shù)與調(diào)制比：
s(t)?的總功率等于?A2?/ 2。根據(jù)卡森帶寬規(guī)則，總功率使用擴(kuò)頻技術(shù)分配，即擴(kuò)頻后的能量有 98% 包含在公式 4 中給出的帶寬 B 中（請(qǐng)參見(jiàn)圖 1）：
對(duì)于更為復(fù)雜的波形，比如開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電流波形，更改瞬時(shí)頻率相當(dāng)于對(duì)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)的每個(gè)構(gòu)成諧波應(yīng)用公式 1。唯一的區(qū)別在于會(huì)將第?n?次諧波在?n?倍卡森帶寬（由公式 5 得出）的帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)頻。? s(t) 頻譜的實(shí)際形狀由 Df?和?ξ(t) 決定。如果?ξ(t) 是周期為?Tm?的周期函數(shù)，則?s(t) 的頻譜呈離散狀態(tài)，這意味著可將信號(hào)分解為一系列頻率為?fc?±?k/Tm?的正弦音調(diào)，每個(gè)信號(hào)的幅值為?Ak?？赏ㄟ^(guò)貝塞爾函數(shù)計(jì)算正弦調(diào)制的?Ak?[9，10]，而三角波調(diào)制的頻譜形狀已通過(guò) Matlab 仿真進(jìn)行評(píng)估 [11]。 真正連續(xù)的功率頻譜只能通過(guò)非周期調(diào)制函數(shù)獲得（如使用混沌序列發(fā)生器或隨機(jī)序列發(fā)生器獲得），并通過(guò)功率頻譜密度進(jìn)行描述。
與周期擴(kuò)頻技術(shù)相反，非周期調(diào)制測(cè)得的頻譜形狀與測(cè)量?jī)x器的分辨率帶寬 (RBW) 設(shè)置無(wú)關(guān) [15，16]。下一節(jié)將探討 RBW 對(duì)于 EMI 測(cè)量的影響。 雖然正弦擴(kuò)頻技術(shù)更易于分析和實(shí)現(xiàn)，但無(wú)法獲得最佳頻譜形狀并且諧波衰減未達(dá)到最大程度。如圖 3 所示，調(diào)制波形頻譜中的能量趨向于集中在調(diào)制波形中時(shí)間導(dǎo)數(shù)較小、靠近正弦波形波峰和波谷的各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率。另一方面，指數(shù)調(diào)制函數(shù)具有最平坦的頻譜，可針對(duì)靠近卡森帶寬兩端出現(xiàn)的二階效應(yīng)而產(chǎn)生的峰值進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)一步減小 EMI。然而，指數(shù)波形在實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)，通常需要復(fù)雜的失真電路或查詢(xún)表。
圖 3：正弦波 (a)、三角波 (b) 和指數(shù) (c) 調(diào)制曲線及頻域特性 線性三角形調(diào)制代表圖 3 所示的調(diào)制曲線之間已達(dá)到良好的折中，很容易在模擬和數(shù)字域中實(shí)現(xiàn)。通過(guò)選擇經(jīng)過(guò)優(yōu)化并且正確定義的三角波驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，最大限度地降低測(cè)得的 EMI 頻譜的峰值，可以為汽車(chē)等大批量、成本優(yōu)化型應(yīng)用提供穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。
通過(guò)擴(kuò)頻優(yōu)化?EMI?抑制
國(guó)際規(guī)定要求使用 EMI 接收器進(jìn)行測(cè)量。EMI 接收器的本質(zhì)是額外配備一些輸入濾波器的模擬頻譜分析儀。鑒于測(cè)量 EMI 的超外差頻譜分析儀的復(fù)雜性 [16]（特別是解調(diào)包絡(luò)檢波器和峰值/準(zhǔn)峰值/平均值檢波器的非線性），[11] 中的研究人員使用 EMI 接收器的 Matlab 模型，通過(guò)基于三角波調(diào)制的擴(kuò)頻技術(shù)計(jì)算降低的 EMI，從而得出三角波擴(kuò)頻的優(yōu)化曲線。舉例來(lái)說(shuō)，圖 4 提供的噪聲級(jí)下降曲線基于多個(gè)頻率偏差值 Df，均為 EMI 接收器 RBW 設(shè)置的倍數(shù)。請(qǐng)注意，如果?m?超出某一特定值，EMI 抑制性能隨之下降。
圖 4：與不同 RBW/Df 比的 EMI 接收器響應(yīng)相一致的三角波調(diào)制功率頻譜噪聲級(jí)下降，其中固定 Df 并改變 fm?時(shí)，調(diào)制系數(shù)會(huì)發(fā)生變化。0dB 基準(zhǔn)是未調(diào)制的情況 選擇調(diào)制擴(kuò)頻參數(shù) Df?和?fm?時(shí)，需要在兩方面進(jìn)行權(quán)衡。首先，Df?應(yīng)足夠大，減小 EMI 測(cè)量值并降低易受 EMI 影響的設(shè)備所受的干擾。例如，為了避免在 AM 無(wú)線頻段內(nèi)產(chǎn)生干擾，汽車(chē) DC/DC 穩(wěn)壓器通常使用外部電阻將自由運(yùn)行的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為 2.1 MHz（容差為 5%-10%）。為了在 1.6 MHz 的最大 AM 頻段中以足夠的裕度運(yùn)行，合理的方法是在 100kHz 至 150kHz 的范圍內(nèi)使用 Df?進(jìn)行中心擴(kuò)頻調(diào)制，可避免對(duì)穩(wěn)壓器輸出電壓紋波幅值和效率性能造成過(guò)大干擾。
確定 Df?后，優(yōu)化 EMI 性能的附加自由度取決于所選調(diào)制頻率。根據(jù)圖 4，調(diào)制系數(shù)?m?應(yīng)具備一個(gè)適宜的中間值，大到可提供 EMI 衰減，同時(shí)小到 RBW 帶通濾波器的時(shí)域效應(yīng)不適用。具體而言，如果?fm?過(guò)低，瞬時(shí)干擾信號(hào)頻率處于 RBW 濾波器響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的時(shí)間間隔會(huì)增大。信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間以未調(diào)制狀態(tài)出現(xiàn)在測(cè)量窗口中，可以有效測(cè)量未調(diào)制信號(hào)的幅值。這種短期時(shí)域效應(yīng)同樣應(yīng)用于易受 EMI 干擾的電路及其敏感頻段。 因此，在規(guī)定頻率范圍內(nèi)使用指定 EMI 測(cè)量設(shè)置時(shí)，為了正確估計(jì)擴(kuò)頻技術(shù)的影響，務(wù)必考慮時(shí)域特性。例如，針對(duì)汽車(chē)應(yīng)用的國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 25 等規(guī)定要求，在 150kHz 至 30MHz 以及 30MHz 至 1GHz 的頻段進(jìn)行測(cè)量時(shí)，RBW 設(shè)置應(yīng)分別為 9kHz 和 120kHz。按照經(jīng)驗(yàn)法則，如果將?fm?設(shè)置為與要求的 RBW 相近，則 EMI 接收器能夠獨(dú)立測(cè)量各個(gè)邊帶諧波，使測(cè)量結(jié)果與預(yù)期計(jì)算值相符。
實(shí)踐案例研究
圖 5 為使用兩個(gè)雙相可堆疊控制器的四相同步降壓穩(wěn)壓器電路 [17] 示意圖。控制器采用多種功能降低 EMI，包括恒定開(kāi)關(guān)頻率操作、外部時(shí)鐘同步以及通過(guò)分離各電源開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)輸出實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)整形（轉(zhuǎn)換率控制）。 控制器工作時(shí)使用的電阻可調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率高達(dá) 2.2MHz，進(jìn)行外部同步后可達(dá) 2.5MHz。SSFM 可通過(guò)以下三種方法進(jìn)行配置：
使用控制器的外部同步 (SYNCIN) 輸入，施加采用所需調(diào)制技術(shù)的頻率信號(hào)。
通過(guò)電阻將調(diào)制信號(hào)與 RT 引腳耦合。
使用 DITH 引腳上的電容設(shè)置調(diào)制頻率，然后使用內(nèi)置的 ±5% 三角波擴(kuò)頻（抖動(dòng)）函數(shù)。
圖 5：采用三角波擴(kuò)頻調(diào)制的四相同步降壓穩(wěn)壓器示意圖 給定的標(biāo)稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率為 2.1MHz，使用集成擴(kuò)頻功能時(shí)的頻率偏差 Δf?為 5% 或 105 kHz。EMI 接收器使用頻率為 9kHz 的 RBW 濾波器，在 150kHz 至 30MHz 的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。頻譜分析儀中的 EMI 濾波器帶寬通常設(shè)定為 -6dB、具有四極并且波形接近高斯形狀 [16]，因此應(yīng)用校正因數(shù)后，9kHz RBW 濾波器的 -3dB 有效帶寬認(rèn)定為約 6kHz?；谂c圖 4 相似的優(yōu)化曲線，使用公式 5 計(jì)算歸一化分辨率，可得出優(yōu)化的調(diào)制系數(shù)約為 10：
此后，通過(guò)公式 6 推導(dǎo)出所需的調(diào)制頻率：
圖 6 顯示的是啟用和禁用擴(kuò)頻后的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形（使用圖 5 中的穩(wěn)壓器測(cè)量）。圖 6b 中的波形范圍恒定不變，展示開(kāi)關(guān)頻率的變化情況。
圖 6：禁用 (a) 和啟用 (b) 擴(kuò)頻后的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓波形 (VIN?= 13.5 V，VOUT?= 5 V，IOUT?= 20 A) 圖 7 所示為在 10 kHz 處設(shè)置三角波調(diào)制后，在 150kHz 至 30MHz 的范圍內(nèi)測(cè)得的圖 5 中穩(wěn)壓器的傳導(dǎo)輻射。使用 Rohde & Schwarz 的頻譜分析儀，所得檢測(cè)器掃描結(jié)果的峰值和平均值分別以黃色和藍(lán)色表示。測(cè)量結(jié)果符合 CISPR 25 5 類(lèi) 的要求。紅色的限值線對(duì)應(yīng) CISPR 25 5 類(lèi)的峰值限值和平均限值（峰值限值通常比平均限值高出 20dB）。
圖 8：禁用 (a) 和啟用 (b) 擴(kuò)頻后，CISPR 25 5 類(lèi)的傳導(dǎo)輻射結(jié)果（150kHz 至 30MHz） 總結(jié) 對(duì)于較為擁擠的電磁波譜，開(kāi)關(guān)電源是導(dǎo)致電磁環(huán)境惡化的關(guān)鍵因素。擴(kuò)頻技術(shù)改變傳導(dǎo)和輻射干擾功率譜的形狀，降低峰值輻射水平，從而符合國(guó)際 EMC 規(guī)定的要求。選用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的調(diào)制頻率可實(shí)現(xiàn)一種系統(tǒng)級(jí)解決方案，其封裝和體積更小，同時(shí)降低固有成本并提升功率密度。
審核編輯：黃飛
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