降低開關(guān)電源的EMI的方法

開關(guān)電源EMI（電磁干擾）不通過可能會帶來以下幾個壞處：

1. 電子設(shè)備受到干擾：開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪音和諧波可能會對周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。這些干擾信號可能導(dǎo)致其他設(shè)備的故障、降低性能或產(chǎn)生電磁兼容性問題。

2. 增加電磁輻射：開關(guān)電源在正常工作時會產(chǎn)生高頻輻射，如果沒有通過EMI測試，可能會超出國家和地區(qū)的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)限制。這種輻射可能會對人體健康產(chǎn)生潛在風(fēng)險，特別是長期接觸高強(qiáng)度輻射可能導(dǎo)致身體不適或健康問題。

3. 影響通信和無線設(shè)備：開關(guān)電源未經(jīng)EMI測試可能會干擾通信信號和無線設(shè)備。這些干擾信號可能對無線電頻段的正常通信產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降、數(shù)據(jù)傳輸錯誤或通信中斷。

4. 不符合法規(guī)要求：一些國家和地區(qū)有嚴(yán)格的EMI標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，要求電子設(shè)備必須通過EMI測試以確保其不會對其他設(shè)備或人體健康造成干擾。開關(guān)電源未經(jīng)過EMI測試無法符合這些法規(guī)要求，可能會導(dǎo)致產(chǎn)品無法上市銷售或面臨法律責(zé)任。

EMI是評估電力電子開關(guān)電源性能上的一種關(guān)鍵參數(shù)，它可以通過多種方式加以降低，添加一個EMI過濾器似乎是最明顯的選擇，但可能還有更好的方法。今天EMC小哥帶您了解更多降低EMI方法

l 傳導(dǎo)和輻射電磁干擾的降低方法。

l 調(diào)整開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的頻率，以降低EMI.

l 應(yīng)用EMI過濾器

現(xiàn)代電子電力系統(tǒng)架構(gòu)正變得越來越密集，并存在大量的互通互聯(lián)關(guān)系，降低此類系統(tǒng)中的EMI變得越來越具有挑戰(zhàn)性。

EMI的主要問題來源之一是開關(guān)電源（SMPS）。SMPS可以放在系統(tǒng)設(shè)計或印刷電路板 （PCB） 的外部，也可以是 PCB 上設(shè)計的一部分。無論哪種方式，都必須降低EMI干擾，以便通過標(biāo)準(zhǔn)測試以及不會造成周圍的電路錯誤操作。本文上海雷卯EMC小哥將為電路設(shè)計人員提供一些在設(shè)計中控制EMI的最佳方法。

由于SMPS的效率比線性穩(wěn)壓器效率顯著提高，已成為許多系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵組件。功率硅MOSFET或GaN功率器件的開關(guān)導(dǎo)致不連續(xù)電流，是影響可靠系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素（圖1）。下面接著將概述一些降低各種形式 EMI 的最佳方法。

1. 本原理圖顯示了SMPS中的EMI源。

傳導(dǎo)噪聲比輻射噪聲更容易分析;設(shè)計人員可以采用標(biāo)準(zhǔn)的電路分析方法。但是，EMI分析中的許多組件都是寄生的，不會出現(xiàn)在原理圖上。

當(dāng)電源開關(guān)設(shè)備打開和關(guān)閉時，它們會產(chǎn)生較大的不連續(xù)電流。這些電流將出現(xiàn)在降壓轉(zhuǎn)換器的輸入端、升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端以及反激式和降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器設(shè)計的輸入和輸出端。

不連續(xù)電流會產(chǎn)生電壓紋波，這些紋波可能通過導(dǎo)體相互接觸傳導(dǎo)到系統(tǒng)架構(gòu)的其他部分。轉(zhuǎn)換器輸入端的此類電流應(yīng)通過輸入濾波器進(jìn)行濾波，以減輕電壓干擾。功率轉(zhuǎn)換器的輸出也可能需要濾波器來幫助通過EMI標(biāo)準(zhǔn)。

共模噪聲通常更難分析，因?yàn)樗ǔＪ怯杉纳娙莸某潆?/span>/放電引起的，寄生電容在散熱器或變壓器繞組間電容最高。

輻射EMI降低方法

輻射噪聲可以通過兩種方式進(jìn)行評估：

l 用幾米外的天線測量的電磁噪聲。

l 用靠近磁性元件的“****器探頭”測量的磁噪聲。

電磁場的起因通常是電路中包含高頻諧波的電流，這些諧波在回路中流動。減小環(huán)路面積、di/dt或電流峰值幅度將有助于降低輻射噪聲。

通過使用擴(kuò)頻調(diào)頻（SSFM）技術(shù)，對開關(guān)調(diào)壓器開關(guān)頻率進(jìn)行抖動，將降低EMI，并幫助設(shè)計人員當(dāng)在濾波和優(yōu)化布局無法滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)限制時通過一致性測試。抖動略微調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓器中的基波開關(guān)頻率。下面是它的工作原理。

開關(guān)電源的電磁輻射通過方波脈沖分布在許多頻率上，其中最大的能量在基頻處。稍微改變基頻（使用3%左右的典型調(diào)制）將調(diào)制峰值開關(guān)噪聲能量，該能量將在多個基頻之間共享。總電磁能量將保持不變，但窄帶能量已降低，因此EMI有效降低。

在圖1所示的示例中，5 dB峰值降噪可以在獲得標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)的情況下快速上市，還是將噪聲峰值降低到標(biāo)準(zhǔn)限值以下（圖2）。

2. 此圖顯示了在 330 kHz 附近有和沒有抖動的準(zhǔn)峰值測量值，顯示抖動導(dǎo)致 5 dB 降低。

許多設(shè)計人員可能沒有考慮到，選擇有助于降低EMI的IC封裝類型的好處。一個很好的例子是在SMPS中封裝功率MOSFET。這些類型的電源轉(zhuǎn)換器使用快速開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換速率 （dv/dt） 以及高電流速率 （di/dt），這將增加系統(tǒng)中的 EMI。

設(shè)計人員可以添加EMI濾波器作為解決方案。但是，在這樣做并增加設(shè)計尺寸（從而降低功率密度）之前，請先了解也有助于降低EMI的封裝技術(shù)。以下是如何利用功率MOSFET封裝設(shè)計改善EMI的一些示例。

排列電源引腳和GND引腳相鄰，這樣可以平行放置濾波電容，盡可能的減小環(huán)路，改進(jìn)高頻EMI。此外，兩個相等和并聯(lián)電感的等效寄生環(huán)路電感減半。因此設(shè)計時的優(yōu)化布置引腳位置可以降低高頻EMI.

QFN封裝中的鍵合線有時可以通過使用銅柱和引線框架與芯片之間的倒裝芯片互連來消除（圖3）。

3. 這種典型的 QFN 封裝使用鍵合線將芯片連接到裸露焊盤，電源開關(guān)在該焊盤中表現(xiàn)出明顯的振鈴 （a）。改進(jìn)的封裝采用銅柱和從芯片到引線框架的倒裝芯片互連，從而消除了電源開關(guān)中的振鈴 （b）。

循環(huán)輸入電流將產(chǎn)生相反的磁場，導(dǎo)致H場抵消并減少輻射****。因此，通過創(chuàng)建高di/dt輸入環(huán)路的對稱布局，產(chǎn)生的（相反方向的）磁場可以相互抵消。

降低封裝EMI的另一種方法是在另一個PCB層（如頂層電源電路正下方的第2層）的兩個電感環(huán)路下方放置一個連續(xù)接地層，用于返回電流。

EMI濾波器可以是分立式的，也可以是模塊化的。電源設(shè)計人員將不得不在時間、尺寸和成本方面選擇最有利于其設(shè)計需求的電源。

高功率密度電源架構(gòu)中的EMI濾波器

在高功率密度電源中，最大限度地減小EMI濾波器的尺寸至關(guān)重要。沒有磁性元件的濾波器設(shè)計更緊湊，從而達(dá)到良好的功率密度。

例如，圖4中的濾波器設(shè)計使用電壓檢測和無磁性元件的電流注入拓?fù)?。為了增?qiáng)濾波器的輸出電流和功率以及改善插入損耗（IL），在放大器輸出后面使用推挽式功率放大器電路，以使輸出電流足夠大。這種濾波器設(shè)計足夠穩(wěn)定，可以取代無源EMI濾波器。

4. 這種高性能濾波器設(shè)計，沒有磁性元件，可以支持60 A量級的高輸出電流。

屏蔽EMI濾波器是控制傳導(dǎo)EMI的最后努力

差模（DM）EMI濾波器（圖5）可能會在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI干擾。

5. 圖為π型EMI濾波器

在DM濾波器下方放置銅屏蔽可能會有所幫助（圖6a）。當(dāng)所有其他方法都失敗時，在PCB的頂部和底部添加銅層，并在濾波器的兩側(cè)添加兩個垂直銅屏蔽（圖6b）。

6. DM EMI濾波器有兩種不同的配置：在（a）中，濾波器位于單銅層PCB的頂部，每個濾波器元件之間的距離為3.5毫米。在（b）中，濾波器位于雙銅層（頂部和底部）PCB和兩個垂直銅屏蔽層上，每個濾波器組件之間有3.5 mm。

設(shè)計人員需要了解以及工具，以最大程度地減少電路板設(shè)計之間的傳導(dǎo)和輻射EMI干擾。本文上海雷卯EMC小哥重點(diǎn)介紹SMPS，它比線性電源大大提高了效率，但為了最大限度地降低EMI干擾，也可能需要非常耗時。本文介紹的技術(shù)和工具提供了改進(jìn)SMPS設(shè)計的方法，以幫助設(shè)備通過EMI標(biāo)準(zhǔn)測試，同時最大限度地縮短設(shè)計時間。

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