減少傳導(dǎo) EMI 的方法比我們想象的要多

1.前言

電磁干擾 (EMI) 在某些設(shè)計(jì)中是一個(gè)棘手的問(wèn)題，尤其是在汽車系統(tǒng)中，如信息娛樂(lè)、車身電子、ADAS 等。在設(shè)計(jì)原理圖和繪制版圖時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常通過(guò)減少高 di/dt 環(huán)路面積和減慢開(kāi)關(guān)壓擺率來(lái)最大限度地減少源頭的噪聲。

然而，有時(shí)無(wú)論他們?nèi)绾巫屑?xì)地設(shè)計(jì)布局和原理圖，他們?nèi)匀粺o(wú)法將傳導(dǎo) EMI 降低到所需的水平。噪聲不僅取決于電路寄生，而且還與電流電平有關(guān)。此外，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的電流。不連續(xù)的電流會(huì)導(dǎo)致輸入電容器上的電壓紋波，從而增加 EMI。

2.減少EMI方案

因此，最好考慮采用其他方法來(lái)提高傳導(dǎo) EMI 性能——添加輸入濾波器以平滑電壓擾動(dòng)或添加屏蔽以阻止噪聲。

圖 1 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的 EMI 濾波器，其中包括一個(gè)共模 (CM) 濾波器和一個(gè)差模 (DM) 濾波器。通常，DM 濾波器濾除 30MHz 以下的噪聲，CM 濾波器濾除 30MHz 至 100MHz 的噪聲。兩個(gè)濾波器都會(huì)對(duì)需要限制 EMI 的整個(gè)頻段產(chǎn)生影響。

圖 1：簡(jiǎn)化的 EMI 濾波器

例如，圖 2 顯示了來(lái)自信息娛樂(lè)系統(tǒng)中沒(méi)有任何濾波器的輸入線的正噪聲和負(fù)噪聲，以及峰值和平均噪聲。測(cè)試的系統(tǒng)使用 TI 的 SIMPLE SWITCHER® LMR14050-Q1 單通道降壓轉(zhuǎn)換器在 5A 時(shí)產(chǎn)生 5V 電壓，并使用 TPS65263-Q1 三通道降壓轉(zhuǎn)換器在 3A 時(shí)產(chǎn)生 1.5V、2A 時(shí)產(chǎn)生 3.3V 和 2A 時(shí)產(chǎn)生 1.8V。開(kāi)關(guān)頻率為 2.2MHz。圖中的傳導(dǎo) EMI 標(biāo)準(zhǔn)是 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Class 5。

圖 2：沒(méi)有任何濾波器的噪聲符合 CISPR 25 Class 5 標(biāo)準(zhǔn)

圖 3 顯示了使用 DM 濾波器的 EMI 結(jié)果。DM 噪聲在中頻段（2MHz 至 30MHz）中被濾波器衰減近 35dBμV/m。高頻噪聲（30MHz 至 100MHz）也有所降低，但仍超出限制水平。這是因?yàn)?DM 濾波器不能有效地過(guò)濾 CM 噪聲。

圖 3：符合 CISPR 25 Class 5 標(biāo)準(zhǔn)的 DM 濾波器噪聲

圖 4 顯示了帶有 DM 和 CM 濾波器的噪聲。與圖 3 相比，CM 濾波器將 CM 噪聲降低了近 20dBμV/m。EMI 性能通過(guò) CISPR 25 Class 5。

圖 4：根據(jù) CISPR 25 Class 5 標(biāo)準(zhǔn)使用 DM 和 CM 濾波器的噪聲

圖 5 還顯示了使用 DM 和 CM 濾波器（與圖 4 相同的濾波器）的噪聲，但布局不同。與圖 4 相比，整個(gè)頻段的噪聲增加了大約 10dBμV/m。更糟糕的是，高頻噪音超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)限制。

圖 5：符合 CISPR 25 Class 5 標(biāo)準(zhǔn)的 DM 和 CM 濾波器的噪聲

圖 6 顯示了導(dǎo)致圖 4 和圖 5 之間結(jié)果不同的布局差異。在圖 6 右側(cè)所示的圖 5 布局中，大的覆銅 (GND) 和 V IN 走線形成了一些寄生電容。這些寄生電容為高頻信號(hào)提供了一條繞過(guò)濾波器的低阻抗路徑。因此，為了最大限度地提高濾波器的效率，您必須去除每一層濾波器周圍的覆銅，如圖 6 左側(cè)所示的布局。

圖 6：不同的過(guò)濾器布局

優(yōu)化 EMI 性能的另一種有效方法是添加屏蔽。連接到 GND 的金屬屏蔽可以阻擋輻射噪聲。圖 7 顯示了帶有建議屏蔽位置的電路板。屏蔽罩覆蓋除過(guò)濾器之外的所有組件。

圖 8 顯示了所有濾波器和屏蔽的 EMI 結(jié)果。在圖 8 中，屏蔽幾乎消除了整個(gè)頻段的噪聲，因此 EMI 性能非常好。屏蔽減少了與長(zhǎng)輸入線的耦合輻射噪聲，輸入線充當(dāng)天線。在此設(shè)計(jì)中，中頻噪聲通常以這種方式耦合。

圖 7：帶屏蔽板的電路板

圖 8：所有濾波器和屏蔽的噪聲符合 CISPR 25 Class 5 標(biāo)準(zhǔn)

圖 9 還顯示了所有濾波器和修改后的屏蔽的噪聲。在圖 9 中，屏蔽層是一個(gè)包圍整個(gè)電路板的金屬盒；只有輸入線在外面。有了這個(gè)屏蔽，一些輻射噪聲可以繞過(guò) EMI 濾波器并耦合到 PCB 中的電源線，導(dǎo)致 EMI 性能比圖 8 中的屏蔽更差。 有趣的是，高頻段的 EMI 結(jié)果幾乎相同如圖 4、8 和 9（它們都是相同的布局）。這是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的高頻段幾乎不存在輻射噪聲。

圖 9：所有濾波器和屏蔽的噪聲符合 CISPR 25 Class 5 標(biāo)準(zhǔn)

通常，添加 EMI 濾波器和屏蔽都是提高汽車系統(tǒng) EMI 性能的有效方法。同時(shí)要注意過(guò)濾器的布局和屏蔽的位置。