電源模塊的EMI設(shè)計(jì)

電源設(shè)計(jì)中即使是普通的直流到直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)都會(huì)出現(xiàn)一系列問題，尤其在高功率電源設(shè)計(jì)中更是如此。除功能性考慮以外，工程師必須保證設(shè)計(jì)的魯棒性，以符合成本目標(biāo)要求以及熱性能和空間限制，當(dāng)然同時(shí)還要保證設(shè)計(jì)的進(jìn)度。另外，出于產(chǎn)品規(guī)范和系統(tǒng)性能的考慮，電源產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）必須足夠低。不過，電源的電磁干擾水平卻是設(shè)計(jì)中最難精確預(yù)計(jì)的項(xiàng)目。有些人甚至認(rèn)為這簡直是不可能的，設(shè)計(jì)人員能做的最多就是在設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮，尤其在布局時(shí)。

盡管本文所討論的原理適用于廣泛的電源設(shè)計(jì)，但我們?cè)诖酥魂P(guān)注直流到直流的轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗膽?yīng)用相當(dāng)廣泛，幾乎每一位硬件工程師都會(huì)接觸到與它相關(guān)的工作，說不定什么時(shí)候就必須設(shè)計(jì)一個(gè)電源轉(zhuǎn)換器。本文中我們將考慮與低電磁干擾設(shè)計(jì)相關(guān)的兩種常見的折中方案；熱性能、電磁干擾以及與PCB布局和電磁干擾相關(guān)的方案尺寸等。文中我們將使用一個(gè)簡單的降壓轉(zhuǎn)換器做例子，如圖1所示。

圖1.普通的降壓轉(zhuǎn)換器

在頻域內(nèi)測量輻射和傳導(dǎo)電磁干擾，這就是對(duì)已知波形做傅里葉級(jí)數(shù)展開，本文中我們著重考慮輻射電磁干擾性能。在同步降壓轉(zhuǎn)換器中，引起電磁干擾的主要開關(guān)波形是由Q1和Q2產(chǎn)生的，也就是每個(gè)場效應(yīng)管在其各自導(dǎo)通周期內(nèi)從漏極到源極的電流di／dt。圖2所示的電流波形（Q和Q2on）不是很規(guī)則的梯形，但是我們的操作自由度也就更大，因?yàn)閷?dǎo)體電流的過渡相對(duì)較慢，所以可以應(yīng)用Henry Ott經(jīng)典著作《電子系統(tǒng)中的噪聲降低技術(shù)》中的公式1。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一個(gè)類似的波形，其上升和下降時(shí)間會(huì)直接影響諧波振幅或傅里葉系數(shù)（In）。

圖2.Q1和Q2的波形

In=2IdSin(nπd)/nπd ×Sin(nπtr/T)/nπtr/T (1)

其中，n是諧波級(jí)次，T是周期，I是波形的峰值電流強(qiáng)度，d是占空比，而tr是tr或tf的最小值。

在實(shí)際應(yīng)用中，極有可能會(huì)同時(shí)遇到奇次和偶次諧波發(fā)射。如果只產(chǎn)生奇次諧波，那么波形的占空比必須精確為50%。而實(shí)際情況中極少有這樣的占空比精度。

諧波系列的電磁干擾幅度受Q1和Q2的通斷影響。在測量漏源電壓VDS的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf，或流經(jīng)Q1和Q2的電流上升率di／dt 時(shí)，可以很明顯看到這一點(diǎn)。這也表示，我們可以很簡單地通過減緩Q1或Q2的通斷速度來降低電磁干擾水平。事實(shí)正是如此，延長開關(guān)時(shí)間的確對(duì)頻率高于 f=1／πtr的諧波有很大影響。不過，此時(shí)必須在增加散熱和降低損耗間進(jìn)行折中。盡管如此，對(duì)這些參數(shù)加以控制仍是一個(gè)好方法，它有助于在電磁干擾和熱性能間取得平衡。具體可以通過增加一個(gè)小阻值電阻（通常小于5Ω）實(shí)現(xiàn)，該電阻與Q1和Q2的柵極串聯(lián)即可控制tr和tf，你也可以給柵極電阻串聯(lián)一個(gè) “關(guān)斷二極管”來獨(dú)立控制過渡時(shí)間tr或tf（見圖3）。這其實(shí)是一個(gè)迭代過程，甚至連經(jīng)驗(yàn)最豐富的電源設(shè)計(jì)人員都使用這種方法。我們的最終目標(biāo)是通過放慢晶體管的通斷速度，使電磁干擾降低至可接受的水平，同時(shí)保證其溫度足夠低以確保穩(wěn)定性。

圖3.用關(guān)聯(lián)二極管來控制過渡時(shí)間

開關(guān)節(jié)點(diǎn)的物理回路面積對(duì)于控制電磁干擾也非常重要。通常，出于PCB面積的考慮，設(shè)計(jì)者都希望結(jié)構(gòu)越緊湊越好，但是許多設(shè)計(jì)人員并不知道哪部分布局對(duì)電磁干擾的影響最大?；氐街暗慕祲悍€(wěn)壓器例子上，該例中有兩個(gè)回路節(jié)點(diǎn)（如圖4和圖5所示），它們的尺寸會(huì)直接影響到電磁干擾水平。

圖4.降壓穩(wěn)壓器模型1

圖5.降壓穩(wěn)壓器模型2

Ott關(guān)于不同模式電磁干擾水平的公式（2）示意了回路面積對(duì)電路電磁干擾水平產(chǎn)生的直接線性影響。

E=263×10-16(f2AI)(1/r) (2)

輻射場正比于下列參數(shù)：涉及的諧波頻率（f，單位Hz）、回路面積（A，單位m2）、電流（I）和測量距離（r，單位m）。

此概念可以推廣到所有利用梯形波形進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的場合，不過本文僅討論電源設(shè)計(jì)。參考圖4中的交流模型，研究其回路電流流動(dòng)情況：起點(diǎn)為輸入電容器，然后在Q1導(dǎo)通期間流向Q1，再通過L1進(jìn)入輸出電容器，最后返回輸入電容器中。