選擇符合EN55022標(biāo)準(zhǔn)的低EMI電源前該了解些什么

引言

由于市場(chǎng)對(duì)于提升信息技術(shù)和通信設(shè)備性能的需求，因此如今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著必需設(shè)計(jì)EMI兼容產(chǎn)品的巨大挑戰(zhàn)。在銷售之前，所有通常被規(guī)定為具有一個(gè)高于 9kHz 之已調(diào)時(shí)鐘信號(hào)的信息技術(shù)設(shè)備 (ITE) 都必須滿足相關(guān)的政府標(biāo)準(zhǔn)，例如美國(guó)的 FCC Part 15 Subpart B 和歐盟的 EN55022，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工業(yè)和商業(yè)環(huán)境 (Class A) 以及家庭環(huán)境 (Class B) 的最大可容許輻射發(fā)射。鑒于此類嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)、工程人力資源限制和產(chǎn)品快速上市要求，使得通過(guò)EN55022標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證之電源模塊的普及率有所提高。然而重要的是必須知曉電源模塊在認(rèn)證時(shí)所處的電氣操作條件，以避免在之后的設(shè)計(jì)過(guò)程中感到詫異。對(duì)開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器中的 EMI 干擾源和場(chǎng)強(qiáng)因子有所了解將有助于設(shè)計(jì)工程師選擇最佳的組件，以減輕特別是那些所需電流水平較高之尖端設(shè)備中的電磁輻射。

圖 1：FCC 輻射限值 (USA) 和 EN55022 Class B 輻射限值 (歐盟)

對(duì)于電磁理論的思考將有助讀者更好地了解 EMI 對(duì)于工作在較高電壓和較高輸出功率下的大功率降壓型轉(zhuǎn)換器的影響。我們回憶一下高斯定理 (Gauss’ Law)，該闡述了某一封閉區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度與其內(nèi)部的總電荷成正比。

例如：該電荷量與通過(guò)一根 PCB 走線傳遞的電流大小成正比。(1A 等于每秒 1 庫(kù)侖電荷。) 于是，增加輸出功率所需的較高電流將產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)，由于交流電通路在一個(gè)周期之內(nèi)的不同時(shí)點(diǎn)運(yùn)行，所以在開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器中電場(chǎng)始終處于變化之中就是理所當(dāng)然的事了。接著，麥克斯韋 (Maxwell) 方程組告訴我們：這一不斷變化的電場(chǎng)將產(chǎn)生一個(gè)成比例增強(qiáng)的磁場(chǎng)，從而引起一個(gè)從導(dǎo)體 (降壓型轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的所有電流通路) 輻射的自保持 EMI 電波。這里進(jìn)行的討論并不能盡述，例如：對(duì)于圍繞電流通路的磁性組件以及功率電感器上快速極性變化的影響尚未涉及，不過(guò)，較高輸出功率對(duì)于輻射EMI的影響卻是清晰可見(jiàn)的。EMI 輻射源

由于其特殊的性質(zhì)，開(kāi)關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生輻射到周圍大氣中的電磁波。脈沖電壓和電流將因開(kāi)關(guān)動(dòng)作而出現(xiàn)，并直接影響輻射電磁波的強(qiáng)度 (見(jiàn)邊欄)。此外，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的寄生器件也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。圖 2 給出了一款典型的降壓型轉(zhuǎn)換器，其包括功率 MOSFET 的寄生電感器和寄生電容器。

圖 2：具寄生電感器和電容器的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器

在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期里，存儲(chǔ)在寄生電感器中的能量將和存儲(chǔ)于寄生電容器中的能量發(fā)生共振。當(dāng)能量釋放時(shí)將在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) (VSW) 上產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓尖峰，其最大可達(dá)輸入電壓的兩倍，如圖 3 所示。當(dāng) MOSFET 的電流能力增加時(shí)，存儲(chǔ)在寄生電容器中的能量往往也會(huì)增加。另外，開(kāi)關(guān)動(dòng)作還使輸入電流以及流過(guò)頂端 MOSFET (ITOP) 和底端 MOSFET (IBOT) 的電流產(chǎn)生脈動(dòng)。此脈沖電流將在輸入電源電纜和 PCB 板印制線 (其充當(dāng)了發(fā)射天線) 上產(chǎn)生電波，從而產(chǎn)生輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射。

當(dāng)輸入電壓和輸出電流增加時(shí)，每個(gè)周期中功率電感器改變極性時(shí)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓尖峰也將增大。而且，輸出電流越高，電路回路內(nèi)部產(chǎn)生的脈沖電流越大。因此，輻射發(fā)射在很大程度上取決于被測(cè)試器件所處的電氣操作條件。一般來(lái)說(shuō)，輻射噪聲將隨著輸入電壓和輸出功率 (特別是輸出電流) 的提高而增加。由于作為低噪聲替代方案的線性穩(wěn)壓器效率過(guò)低，而且在高電壓和高功率級(jí)別下耗散過(guò)多的熱量，因此設(shè)計(jì)工程師不得不克服因采用最先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源解決方案而引發(fā)的難題，其中的EMI抑制變得頗為棘手。

圖 3：12V 輸入降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的典型開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓尖峰和振鈴

EMI 抑制

用于降低來(lái)自開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的輻射EMI之替代方法面臨著其他的難題。一種傳統(tǒng)方