技術(shù)干貨?|?解決?EMI?問題，需從源頭入手
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您是否會(huì)在設(shè)計(jì)之初就考慮 EMI 的問題？還是說(shuō)需要通過認(rèn)證時(shí)才會(huì)測(cè)試？降低 EMI 措施是否貫穿您整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期？
電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，必然導(dǎo)致它們?cè)谄渲車臻g產(chǎn)生的電磁場(chǎng)電平的不斷增加。1881 年英國(guó)科學(xué)家希維賽德發(fā)表了《論干擾》的文章，從此拉開了電磁干擾問題研究的序幕。1934 年 6 月 28 日至 30 日，國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）在巴黎舉行了第一次正式會(huì)議，從此開始對(duì)電磁干擾及其控制技術(shù)進(jìn)行有組織的研究。CISPR 的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，成為了全球各個(gè)國(guó)家電磁干擾指標(biāo)規(guī)定的重要依據(jù)。
電磁干擾需提高重視近日，某手機(jī)品牌發(fā)布公告稱，其最新產(chǎn)品系列與配件會(huì)干擾醫(yī)療設(shè)備，因此建議醫(yī)療植入器械攜帶者將手機(jī)遠(yuǎn)離心臟處 15 厘米以上。
時(shí)至今日，電磁干擾問題始終是電子設(shè)備需要關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。不僅是在消費(fèi)電子中，在電磁環(huán)境更為復(fù)雜的汽車、工業(yè)等應(yīng)用中更是如此，這類 EMI 源頭往往都是在電路內(nèi)部，而 EMI 最終會(huì)影響音頻設(shè)備、自動(dòng)門控制器以及其他意想不到的結(jié)果。
絕大部分電子電氣設(shè)備工作時(shí)都會(huì)有周期性的或者間歇性的電壓電流變化，比如開關(guān)電源工作會(huì)有固定的一個(gè)開關(guān)頻率，MOS 管開通和關(guān)斷脈沖的產(chǎn)生會(huì)伴隨其上升沿和下降沿（di/dt），并帶來(lái)非常豐富的諧波；除了應(yīng)用于各種各樣場(chǎng)合的 AC-DC、DC-DC 開關(guān)電源、還有一些逆變器（光伏、電機(jī)控制等）的 PWM 信號(hào)，都是 EMI 問題產(chǎn)生的干擾源。除此之外，印刷電路板、時(shí)鐘電路、振蕩器、數(shù)字電路和處理器也會(huì)成為電路內(nèi)部 EMI 源。對(duì)電流執(zhí)行開關(guān)操作的一些機(jī)電裝置，在關(guān)鍵操作期間會(huì)產(chǎn)生 EMI。這些源頭在某些頻率集中產(chǎn)生一些電磁能量，通過相應(yīng)的電路、天線或等效天線發(fā)射到周圍環(huán)境之中。這些 EMI 信號(hào)的頻譜成分和強(qiáng)度，決定了它是否會(huì)對(duì)敏感型電路產(chǎn)生影響。
降低 EMI 的影響日益成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素，但是對(duì)于一部分工程師來(lái)說(shuō)，并不將其放在設(shè)計(jì)過程的首要考慮位置，只有需要通過認(rèn)證時(shí)才會(huì)測(cè)試。對(duì)此，德州儀器 (TI) 技術(shù)委員會(huì)杰出委員，Kilby 實(shí)驗(yàn)室電源、隔離、電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)理 Yogesh Ramadass 分析道：“原因之一，在設(shè)計(jì)時(shí) EMI 并未定義為系統(tǒng)關(guān)鍵規(guī)范指標(biāo)。其次，即使定義了關(guān)鍵 EMI 規(guī)范指標(biāo)，工程師由于缺少合適的仿真工具和建模方法來(lái)預(yù)測(cè) EMI，而導(dǎo)致在后期測(cè)試中才發(fā)現(xiàn) EMI 的問題?！?/span>
而工程師后期發(fā)現(xiàn)問題再進(jìn)行相應(yīng)的整改時(shí)，解決 EMI 問題可能會(huì)更加困難、耗費(fèi)大量時(shí)間和資金成本。實(shí)際上針對(duì) EMI 的整改異常繁瑣，許多中小型公司自身不具備這類條件，大多數(shù)都要選擇第三方進(jìn)行整改，如果整改措施改動(dòng)較大，對(duì)于客戶的咨詢費(fèi)用、設(shè)計(jì)時(shí)間、BOM 成本等都將是一筆不小的開銷。鑒于 EMI 可能在后期嚴(yán)重阻礙設(shè)計(jì)進(jìn)度，因此必須在設(shè)計(jì)之初就考慮 EMI 問題，并將其指標(biāo)貫穿整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
如何從根源解決EMI問題針對(duì)部分電磁敏感的設(shè)備或系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通常會(huì)采用 LDO 而不是開關(guān)電源，從而限制 EMI，但是這又會(huì)導(dǎo)致效率下降等不利影響。有沒有可以顯著解決 EMI 問題，并且無(wú)需太多額外設(shè)計(jì)開銷，同時(shí)又可以采用高效率開關(guān)電源的解決方案呢？
“解決 EMI 相關(guān)問題的關(guān)鍵是從源頭入手。”?Ramadass 說(shuō)道。
EMI 給工程師的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，但電路板布局限制以及額外設(shè)計(jì)的屏蔽等因素并不意味著工程師沒有其他選擇，而實(shí)際上通過選擇具有 EMI 緩解技術(shù)的芯片，可以從源頭改善 EMI。這也和媒體近期在訪談工程師提到的，他們最常用的降低 EMI 的手段是選擇低 EMI 器件，不謀而合。
EMI 問題有多種形式，具體取決于受影響的頻段。為有效緩解 EMI 問題，德州儀器 (TI) 采用了一套綜合技術(shù)，即獨(dú)特的 IC 設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，可根據(jù)特定頻段解決 EMI 的主要來(lái)源。這有助于避免在其他頻段上出現(xiàn)次優(yōu)或無(wú)效的一刀切解決方案。
此外，為了從源頭上解決問題，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)必須擁有良好的仿真和建模方法來(lái)預(yù)測(cè)? EMI。TI 獨(dú)特的 EMI 建模工具webench?使工程師能夠像設(shè)計(jì)高效率、高功率密度性能等一樣設(shè)計(jì)具有出色 EMI 性能的電源轉(zhuǎn)換器。
Ramadass 具體介紹了 TI 的綜合技術(shù)，如圖所示：
將 EMI 問題分解為特定頻段（低頻和高頻），就可以更有針對(duì)性地來(lái)解決這些特定頻率的每一個(gè) EMI 問題。
對(duì)于低頻問題 (<30 MHz)，TI 的電源轉(zhuǎn)換器使用先進(jìn)的擴(kuò)頻和有源濾波技術(shù)來(lái)減輕 PCB 上所需的無(wú)源濾波負(fù)擔(dān)，以滿足并超越標(biāo)準(zhǔn)。這有助于終端系統(tǒng)變得更小、成本更低，同時(shí)滿足其 EMI 需求。
而對(duì)于與更高頻率（FM 頻段和 >100 MHz 頻段）相關(guān)的問題，TI 的電源轉(zhuǎn)換器利用各種柵極驅(qū)動(dòng)器、封裝和無(wú)源集成技術(shù)從源頭上最大限度地減少 EMI 問題。這有助于解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中通常需要的一些難以調(diào)試的接地和屏蔽問題。
由于 IC、組件和 PCB 設(shè)計(jì)之間的相互作用，“即使從源頭解決 EMI 之后，系統(tǒng)工程師在組裝終端設(shè)備時(shí)還需要考慮適當(dāng)?shù)?EMI 指標(biāo)，才能更好地發(fā)揮系統(tǒng)的功能?！?Ramadass 補(bǔ)充道。
集成有源濾波器和雙隨機(jī)擴(kuò)頻技術(shù)TI 提供多種功能和技術(shù)來(lái)降低所有相關(guān)頻段的 EMI，其創(chuàng)新的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：
TI 在 2021 年新推出的 LM25149-Q1，是 TI 首款集成有源濾波器的芯片。相比外置有源濾波器，整體面積可縮小 50% 以上。與標(biāo)準(zhǔn)無(wú)源濾波器相比，有源濾波器可以提供更高水平的 EMI 衰減和更小尺寸的 π 濾波器。有源濾波器具有增益高、帶寬寬、輸出阻抗低、可以產(chǎn)生和吸收電流，檢測(cè)直流總線上的任何擾動(dòng)，并注入與噪聲源相反的信號(hào)從而抵消干擾。LM25149-Q1 可在負(fù)載電流 >40% 的時(shí)候自動(dòng)啟動(dòng)有源電磁干擾濾波器，負(fù)載電流 <30% 時(shí)候則會(huì)自動(dòng)禁用有源濾波器。
另外，LM25149-Q1 使用了雙隨機(jī)擴(kuò)頻技術(shù)，將低頻的三角調(diào)制與高頻的偽隨機(jī)調(diào)制相結(jié)合，分別提高了低頻段和高頻段的 EMI 性能。該產(chǎn)品除了在 EMI 上具有顯著優(yōu)勢(shì)之外，在調(diào)整率、效率、溫升及紋波等性能指標(biāo)上都有著出色表現(xiàn)。
除此之外，包括 LMQ61460 集成了旁路電容器，TPS25850-Q1 利用了擴(kuò)頻頻率抖動(dòng)技術(shù)，LM5157-Q1 則提供了包括 DRSS、外部時(shí)鐘同步以及 2.2MHz 開關(guān)功能等，UCC12050 集成了專用的變壓器等等，TI 針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，不同的 EMI 現(xiàn)場(chǎng)，提供各類組合，使工程師可以更有針對(duì)性的進(jìn)行 EMI 的改善。
總結(jié)“EMI 在某些設(shè)計(jì)中是一個(gè)棘手的問題，比如在汽車系統(tǒng)中，諸如信息娛樂、車身電子、ADAS 等。工程師在設(shè)計(jì)原理圖和繪制版圖時(shí)，需要隨時(shí)保持警惕?！?Ramadass 強(qiáng)調(diào)。
除了汽車電子，工業(yè)和個(gè)人計(jì)算應(yīng)用的快速發(fā)展對(duì)更快上市、更具成本效益、更小尺寸電子產(chǎn)品的需求也隨之增長(zhǎng)，這將不可避免地給 EMI 提出新的挑戰(zhàn)。需要各種進(jìn)階的 EMI 緩解技術(shù)，以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)順利通過業(yè)界通用 EMI 測(cè)試。
Ramadass 認(rèn)為，工程師應(yīng)該準(zhǔn)備好以應(yīng)對(duì) EMI 挑戰(zhàn)。對(duì)于不經(jīng)常處理 EMI 問題的工程師來(lái)說(shuō)，也要了解 EMI 的構(gòu)成以及 EMI 的產(chǎn)生方式和原因，還要充分了解終端設(shè)備制造商需要滿足的各種標(biāo)準(zhǔn)。為此，TI 也提供了許多與 EMI 相關(guān)的資源和技術(shù)內(nèi)容，包括白皮書、培訓(xùn)視頻等多種形式，供工程師學(xué)習(xí)交流。點(diǎn)擊下方視頻，看看 TI 如何應(yīng)對(duì) EMI 挑戰(zhàn)？
您是否會(huì)在設(shè)計(jì)之初就考慮 EMI 的問題？還是說(shuō)需要通過認(rèn)證時(shí)才會(huì)測(cè)試？降低 EMI 措施是否貫穿您整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期？
電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，必然導(dǎo)致它們?cè)谄渲車臻g產(chǎn)生的電磁場(chǎng)電平的不斷增加。1881 年英國(guó)科學(xué)家希維賽德發(fā)表了《論干擾》的文章，從此拉開了電磁干擾問題研究的序幕。1934 年 6 月 28 日至 30 日，國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）在巴黎舉行了第一次正式會(huì)議，從此開始對(duì)電磁干擾及其控制技術(shù)進(jìn)行有組織的研究。CISPR 的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，成為了全球各個(gè)國(guó)家電磁干擾指標(biāo)規(guī)定的重要依據(jù)。
電磁干擾需提高重視近日，某手機(jī)品牌發(fā)布公告稱，其最新產(chǎn)品系列與配件會(huì)干擾醫(yī)療設(shè)備，因此建議醫(yī)療植入器械攜帶者將手機(jī)遠(yuǎn)離心臟處 15 厘米以上。
時(shí)至今日，電磁干擾問題始終是電子設(shè)備需要關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)。不僅是在消費(fèi)電子中，在電磁環(huán)境更為復(fù)雜的汽車、工業(yè)等應(yīng)用中更是如此，這類 EMI 源頭往往都是在電路內(nèi)部，而 EMI 最終會(huì)影響音頻設(shè)備、自動(dòng)門控制器以及其他意想不到的結(jié)果。
絕大部分電子電氣設(shè)備工作時(shí)都會(huì)有周期性的或者間歇性的電壓電流變化，比如開關(guān)電源工作會(huì)有固定的一個(gè)開關(guān)頻率，MOS 管開通和關(guān)斷脈沖的產(chǎn)生會(huì)伴隨其上升沿和下降沿（di/dt），并帶來(lái)非常豐富的諧波；除了應(yīng)用于各種各樣場(chǎng)合的 AC-DC、DC-DC 開關(guān)電源、還有一些逆變器（光伏、電機(jī)控制等）的 PWM 信號(hào)，都是 EMI 問題產(chǎn)生的干擾源。除此之外，印刷電路板、時(shí)鐘電路、振蕩器、數(shù)字電路和處理器也會(huì)成為電路內(nèi)部 EMI 源。對(duì)電流執(zhí)行開關(guān)操作的一些機(jī)電裝置，在關(guān)鍵操作期間會(huì)產(chǎn)生 EMI。這些源頭在某些頻率集中產(chǎn)生一些電磁能量，通過相應(yīng)的電路、天線或等效天線發(fā)射到周圍環(huán)境之中。這些 EMI 信號(hào)的頻譜成分和強(qiáng)度，決定了它是否會(huì)對(duì)敏感型電路產(chǎn)生影響。
降低 EMI 的影響日益成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素，但是對(duì)于一部分工程師來(lái)說(shuō)，并不將其放在設(shè)計(jì)過程的首要考慮位置，只有需要通過認(rèn)證時(shí)才會(huì)測(cè)試。對(duì)此，德州儀器 (TI) 技術(shù)委員會(huì)杰出委員，Kilby 實(shí)驗(yàn)室電源、隔離、電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)理 Yogesh Ramadass 分析道：“原因之一，在設(shè)計(jì)時(shí) EMI 并未定義為系統(tǒng)關(guān)鍵規(guī)范指標(biāo)。其次，即使定義了關(guān)鍵 EMI 規(guī)范指標(biāo)，工程師由于缺少合適的仿真工具和建模方法來(lái)預(yù)測(cè) EMI，而導(dǎo)致在后期測(cè)試中才發(fā)現(xiàn) EMI 的問題?！?/span>
而工程師后期發(fā)現(xiàn)問題再進(jìn)行相應(yīng)的整改時(shí)，解決 EMI 問題可能會(huì)更加困難、耗費(fèi)大量時(shí)間和資金成本。實(shí)際上針對(duì) EMI 的整改異常繁瑣，許多中小型公司自身不具備這類條件，大多數(shù)都要選擇第三方進(jìn)行整改，如果整改措施改動(dòng)較大，對(duì)于客戶的咨詢費(fèi)用、設(shè)計(jì)時(shí)間、BOM 成本等都將是一筆不小的開銷。鑒于 EMI 可能在后期嚴(yán)重阻礙設(shè)計(jì)進(jìn)度，因此必須在設(shè)計(jì)之初就考慮 EMI 問題，并將其指標(biāo)貫穿整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。
如何從根源解決EMI問題針對(duì)部分電磁敏感的設(shè)備或系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，通常會(huì)采用 LDO 而不是開關(guān)電源，從而限制 EMI，但是這又會(huì)導(dǎo)致效率下降等不利影響。有沒有可以顯著解決 EMI 問題，并且無(wú)需太多額外設(shè)計(jì)開銷，同時(shí)又可以采用高效率開關(guān)電源的解決方案呢？
“解決 EMI 相關(guān)問題的關(guān)鍵是從源頭入手。”?Ramadass 說(shuō)道。
EMI 給工程師的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)，但電路板布局限制以及額外設(shè)計(jì)的屏蔽等因素并不意味著工程師沒有其他選擇，而實(shí)際上通過選擇具有 EMI 緩解技術(shù)的芯片，可以從源頭改善 EMI。這也和媒體近期在訪談工程師提到的，他們最常用的降低 EMI 的手段是選擇低 EMI 器件，不謀而合。
EMI 問題有多種形式，具體取決于受影響的頻段。為有效緩解 EMI 問題，德州儀器 (TI) 采用了一套綜合技術(shù)，即獨(dú)特的 IC 設(shè)計(jì)和封裝技術(shù)，可根據(jù)特定頻段解決 EMI 的主要來(lái)源。這有助于避免在其他頻段上出現(xiàn)次優(yōu)或無(wú)效的一刀切解決方案。
此外，為了從源頭上解決問題，工程師在設(shè)計(jì)時(shí)必須擁有良好的仿真和建模方法來(lái)預(yù)測(cè)? EMI。TI 獨(dú)特的 EMI 建模工具webench?使工程師能夠像設(shè)計(jì)高效率、高功率密度性能等一樣設(shè)計(jì)具有出色 EMI 性能的電源轉(zhuǎn)換器。
Ramadass 具體介紹了 TI 的綜合技術(shù)，如圖所示：
將 EMI 問題分解為特定頻段（低頻和高頻），就可以更有針對(duì)性地來(lái)解決這些特定頻率的每一個(gè) EMI 問題。
對(duì)于低頻問題 (<30 MHz)，TI 的電源轉(zhuǎn)換器使用先進(jìn)的擴(kuò)頻和有源濾波技術(shù)來(lái)減輕 PCB 上所需的無(wú)源濾波負(fù)擔(dān)，以滿足并超越標(biāo)準(zhǔn)。這有助于終端系統(tǒng)變得更小、成本更低，同時(shí)滿足其 EMI 需求。
而對(duì)于與更高頻率（FM 頻段和 >100 MHz 頻段）相關(guān)的問題，TI 的電源轉(zhuǎn)換器利用各種柵極驅(qū)動(dòng)器、封裝和無(wú)源集成技術(shù)從源頭上最大限度地減少 EMI 問題。這有助于解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中通常需要的一些難以調(diào)試的接地和屏蔽問題。
由于 IC、組件和 PCB 設(shè)計(jì)之間的相互作用，“即使從源頭解決 EMI 之后，系統(tǒng)工程師在組裝終端設(shè)備時(shí)還需要考慮適當(dāng)?shù)?EMI 指標(biāo)，才能更好地發(fā)揮系統(tǒng)的功能?！?Ramadass 補(bǔ)充道。
集成有源濾波器和雙隨機(jī)擴(kuò)頻技術(shù)TI 提供多種功能和技術(shù)來(lái)降低所有相關(guān)頻段的 EMI，其創(chuàng)新的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：
- 改進(jìn)的濾波器尺寸和成本：先進(jìn)的擴(kuò)頻和有源 EMI 抑制技術(shù)可降低產(chǎn)生的 EMI 的影響；
- 減少設(shè)計(jì)時(shí)間并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性：覆晶封裝、電容器集成和先進(jìn)的柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)可從根本上降低源極產(chǎn)生的噪聲。
TI 在 2021 年新推出的 LM25149-Q1，是 TI 首款集成有源濾波器的芯片。相比外置有源濾波器，整體面積可縮小 50% 以上。與標(biāo)準(zhǔn)無(wú)源濾波器相比，有源濾波器可以提供更高水平的 EMI 衰減和更小尺寸的 π 濾波器。有源濾波器具有增益高、帶寬寬、輸出阻抗低、可以產(chǎn)生和吸收電流，檢測(cè)直流總線上的任何擾動(dòng)，并注入與噪聲源相反的信號(hào)從而抵消干擾。LM25149-Q1 可在負(fù)載電流 >40% 的時(shí)候自動(dòng)啟動(dòng)有源電磁干擾濾波器，負(fù)載電流 <30% 時(shí)候則會(huì)自動(dòng)禁用有源濾波器。
另外，LM25149-Q1 使用了雙隨機(jī)擴(kuò)頻技術(shù)，將低頻的三角調(diào)制與高頻的偽隨機(jī)調(diào)制相結(jié)合，分別提高了低頻段和高頻段的 EMI 性能。該產(chǎn)品除了在 EMI 上具有顯著優(yōu)勢(shì)之外，在調(diào)整率、效率、溫升及紋波等性能指標(biāo)上都有著出色表現(xiàn)。
除此之外，包括 LMQ61460 集成了旁路電容器，TPS25850-Q1 利用了擴(kuò)頻頻率抖動(dòng)技術(shù)，LM5157-Q1 則提供了包括 DRSS、外部時(shí)鐘同步以及 2.2MHz 開關(guān)功能等，UCC12050 集成了專用的變壓器等等，TI 針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，不同的 EMI 現(xiàn)場(chǎng)，提供各類組合，使工程師可以更有針對(duì)性的進(jìn)行 EMI 的改善。
總結(jié)“EMI 在某些設(shè)計(jì)中是一個(gè)棘手的問題，比如在汽車系統(tǒng)中，諸如信息娛樂、車身電子、ADAS 等。工程師在設(shè)計(jì)原理圖和繪制版圖時(shí)，需要隨時(shí)保持警惕?！?Ramadass 強(qiáng)調(diào)。
除了汽車電子，工業(yè)和個(gè)人計(jì)算應(yīng)用的快速發(fā)展對(duì)更快上市、更具成本效益、更小尺寸電子產(chǎn)品的需求也隨之增長(zhǎng)，這將不可避免地給 EMI 提出新的挑戰(zhàn)。需要各種進(jìn)階的 EMI 緩解技術(shù)，以保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)順利通過業(yè)界通用 EMI 測(cè)試。
Ramadass 認(rèn)為，工程師應(yīng)該準(zhǔn)備好以應(yīng)對(duì) EMI 挑戰(zhàn)。對(duì)于不經(jīng)常處理 EMI 問題的工程師來(lái)說(shuō)，也要了解 EMI 的構(gòu)成以及 EMI 的產(chǎn)生方式和原因，還要充分了解終端設(shè)備制造商需要滿足的各種標(biāo)準(zhǔn)。為此，TI 也提供了許多與 EMI 相關(guān)的資源和技術(shù)內(nèi)容，包括白皮書、培訓(xùn)視頻等多種形式，供工程師學(xué)習(xí)交流。點(diǎn)擊下方視頻，看看 TI 如何應(yīng)對(duì) EMI 挑戰(zhàn)？
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