眾所周知，開關電源是將功率半導體器件作為開關元件并通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調(diào)整輸出電壓。
但由于開關電源瞬態(tài)響應較差，易產(chǎn)生電磁干擾(EMI)信號，而這些EMI信號經(jīng)過傳導和輻射，不僅會污染電磁環(huán)境，還會對通信設備和電子儀器造成干擾。更重要的是，隨著開關電源的體積越來越小、功率密度越來越大，EMI控制問題愈發(fā)成為限制其使用的關鍵因素。
EMI為何如此重要?
EMI全稱為Electro Magnetic lnterference，是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預期的電磁擾動造成的性能損害，其產(chǎn)生的條件和傳播途徑主要由干擾源、耦合途徑、敏感設備三個基本要素組成。
何為干擾源?顧名思義就是產(chǎn)生電磁干擾的源頭。一般分為內(nèi)部干擾源和外部干擾源，其中內(nèi)部干擾源包括開關電路、整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)，外部干擾源包括電源干擾和雷電干擾。
那干擾源又是如何產(chǎn)生的?以開關電路為例，開關電路是開關電源的核心，同時也是主要干擾源之一，由開關管和高頻變壓器組成。
簡單地說，由于開關管及其散熱片與外殼和電源內(nèi)部的引線間存在分布電容，其產(chǎn)生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。當開關管負載為高頻變壓器初級線圈時屬于感性負載，此時原來導通的開關管關斷，(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)高頻變壓器的漏感產(chǎn)生了反電勢E=-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比，迭加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，從而形成傳導干擾。當然不止開關電路，上述提到的整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)等都是導致EMI的重要原因。
一直以來，設計中的電磁干擾(EMI)問題十分令人頭疼，尤其是在汽車領域。為了盡可能的減小電磁干擾，設計人員通常會在設計原理圖和繪制布局時，通過降低高di / dt的環(huán)路面積以及開關轉換速率來減小噪聲源。
但是，有時無論布局和原理圖的設計多么謹慎，仍然無法將傳導EMI降低到所需的水平。這是因為噪聲不僅取決于電路寄生參數(shù)，還與電流強度有關。另外，開關打開和關閉的動作會產(chǎn)生不連續(xù)的電流，這些不連續(xù)電流會在輸入電容上產(chǎn)生電壓紋波，從而增加EMI。
因此，有必要采用一些其他方法來提高傳導EMI的性能。本文主要討論的是引入輸入濾波器來濾除噪聲，或增加屏蔽罩來鎖住噪聲。
圖1 EMI濾波器示意簡圖
圖1是一個簡化的EMI濾波器，包括共模(CM)濾波器和差模(DM)濾波器。 通常，DM濾波器主要用于濾除小于30MHz的噪聲(DM噪聲)，CM濾波器主要用于濾除30MHz至100MHz的噪聲(CM噪聲)。 但其實這兩個濾波器對于整個頻段的EMI噪聲都有一定的抑制作用。
圖2顯示了一個不帶濾波器的輸入引線噪聲，包括正向噪聲和負向噪聲，并標注了這些噪聲的峰值水平和平均水平。 其中，該被測系統(tǒng)主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1輸出5V/5A，并給后續(xù)芯片TPS65263QRHBRQ1供電，同時輸出1.5V/3A，3.3V/2A以及1.8V/2A。 這兩個芯片都工作在2.2MHz的開關頻率下。 另外，圖中顯示的傳導EMI標準是CISPR25 Class 5(C5)。有關該系統(tǒng)的更多信息，請查閱應用筆記SNVA810。
圖2 C5標準下的噪聲特性(無濾波器)
圖3顯示了增加一個DM濾波器后的EMI結果。 從圖中可以看出，DM濾波器衰減了中頻段DM噪聲(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高頻段噪聲(30MHz至100MHz)也有所降低，但仍超過限制水平。這主要是因為DM濾波器對于高頻段CM噪聲的濾除能力有限。
圖3 C5標準下的噪聲特性(帶DM濾波器)
圖4顯示了增加CM和DM濾波器后的噪聲特性。 與圖3相比，CM濾波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪聲。 并且EMI性能也通過了CISPR25 C5標準。
圖4 C5標準下的噪聲特性(帶CM和DM濾波器)
圖5顯示了不同布局下帶CM和DM濾波器的噪聲特性，其中濾波器與圖4相同。但與圖4相比，整個頻段的噪聲增加了大約10dBμV/ m，高頻噪聲甚至還超出CISPR25 C5標準的平均值。
圖5 C5標準下的噪聲特性(帶CM和DM濾波器，不同布局)
圖4和圖5之間噪聲結果的不同主要是由于PCB布線差異所致，如圖6所示。圖5的布線中(圖6的右側)，大面積覆銅(GND)包圍著DM濾波器，并和Vin走線形成了一些寄生電容。 這些寄生電容為高頻信號旁路濾波器提供了有效的低阻抗路徑。 因此，為了最大限度地提高濾波器的性能，需要移除濾波器周圍所有的覆銅，如圖6左側的布線。
圖6 不同的PCB布線
除了增加濾波器外，另一種優(yōu)化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。 這是因為連接著GND的金屬屏蔽罩可以阻止噪聲向外輻射。 圖7推薦了一種屏蔽罩的擺放方法。該屏蔽罩恰好覆蓋了板上所有的元器件。
圖8顯示了增加濾波器和屏蔽罩之后的EMI結果。 如圖所示，整個頻段的噪聲幾乎都被屏蔽罩消除，EMI性能非常好。 這主要是因為等效為天線的長輸入引線會耦合大量輻射噪聲，而屏蔽罩恰好隔絕了它們。在本設計中，中頻噪聲也會采用這種方式耦合到輸入引線上。
圖7 帶屏蔽罩的PCB 3D模型
圖8 C5標準下的噪聲特性(帶CM，DM濾波器以及屏蔽罩)
圖9也顯示了帶濾波器和屏蔽罩的噪聲特性。與圖8 不同的是，圖9中屏蔽罩是一個金屬盒，它包裹了整個電路板，且只有輸入引線裸露在外面。 雖然有了這個屏蔽罩，但一些輻射噪聲仍然可以繞過EMI濾波器并耦合到PCB上的電源線，這將會導致比圖8更差的噪聲特性。有趣的是，圖4，圖8和圖9中(相同的布局布線)高頻帶的噪聲特性幾乎相同。 這是因為在增加EMI濾波器后，能耦合到輸入線上的高頻段輻射噪聲幾乎已經(jīng)不存在了。
任何的導體在測試EMI時都會有天線效應，因此建議使用客戶量產(chǎn)所用的線材，包括輸入線材與輸出線材(不同的線材會有些許的差異)，而散熱片一般會下地(或一參考電位)，外面有鋁殼或金屬導體時也要下地，避免導體因電場或磁場效應而產(chǎn)生干擾，成品的組件組裝上也需注意是否有遠離干擾源，任何導體經(jīng)過磁性組件周邊時也要注意磁性組件漏磁通所帶來的干擾。
現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)通常在開關模式下工作，產(chǎn)生了較大的電磁干擾(EMI)，EMI問題一直是電力電子工程師頭疼的問題，解決EMI問題是一項既困難又耗時的工作，本文將介紹EMI是如何產(chǎn)生、傳播以及如何優(yōu)化解決。
常見縮略語：
● EMC(Electromagnetic Compatibility)：電磁兼容性
● EMI(Electromagnetic Interference)：電磁干擾
● EMS(Electromagnetic Susceptibility)：電磁抗擾度
● IEC(International Electrotechnical Commission)：國際電工委員會
● FCC(Federal Communication Commission)：美國聯(lián)邦通信委員會
● CISPR：國際無線電干擾特別委員會
● CE：字母“CE”是法文句子的縮寫，意指歐盟
● CCC(China Compulsory Certificate)：中國強制性產(chǎn)品認證制度，又稱3C認證。
電磁兼容性(EMC)是指設備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾能力，電磁兼容(EMC)包含電磁干擾(EMI)和電磁抗擾度(EMS)。
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