使用電源模塊簡化低EMI設計

在設計開關電源時，您可能聽說過電磁干擾(EMI)越來越多的應用必須通過EMI標準，制造商才獲得商業(yè)轉售批準。開關電源意味著器件內部有電子開關，EMI可通過它產生輻射。

本文將介紹開關電源中EMI的以及降低EMI的方法或技術。本文還將向您展示電源模塊(控制器、高側和低側FET及電感器封裝為一體)如何幫助降低EMI。

開關電源中EMI的

首先，必須尊重物理定律。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電可產生電磁場。每個電導體中均會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，其自身帶有一些可以形成振蕩電路的電容和電感。該振蕩電路以特定頻率(f=1/(2*π*sqrt(LC)))將電磁能輻射到空間中。該電路充當電磁能的發(fā)射器，但也可以接收電磁能并充當接收器。天線設計是為了最大化傳輸或接收能量。

但并非每個應用都應該像天線一樣，而且這種設計可能會產生負面影響。例如，開關降壓電源設計用于將較高的電壓轉換為較低的電壓，但它們同時也充當了(有害的)電磁波發(fā)射器，可能干擾其他應用，例如干擾AM頻段。這種效應稱為EMI。

為了確保功能正常運行，最大限度地減少EMI源非常重要。國際無線電干擾特別委員會(CISPR)定義了各種標準，如作為汽車電氣應用基準的CISPR 25，以及針對信息技術設備的CISPR 22。

如何降低電源設計的EMI輻射呢?一種方法是用金屬完全屏蔽開關電源。但在大多數(shù)應用中，由于成本和空間的原因，這種方法無法實現(xiàn)。一種更好的方法是減少和優(yōu)化EMI源。許多文獻已經(jīng)詳細討論了這一專題;本文推薦了兩種方式。

讓我們回顧一下開關電源中EMI的主要，以及為什么電源模塊可以幫助您輕松降低EMI。

減小布局中的電流環(huán)路

顧名思義，開關電源是用來進行轉換的。它們的作用是以幾百千赫到幾兆赫的頻率打開和關閉輸入電壓。這就導致了快速電流轉換(dI/dt)和快速電壓轉換(dV/dt)。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電流和電壓產生交變電磁場。這些電磁場從其原點徑向擴散，它們的強度隨距離而降低。

圖1.來自開關電源的EMI會對負載和主電源產生影響。

圖2.在輸入端、開關和輸入電容器之間形成臨界電流環(huán)路。

圖3.減小環(huán)路區(qū)域有助于降低EMI

磁場和電場會干擾應用的導電部件(例如，印刷電路板[PCB]上的銅跡線，就像天線一樣)并在線路上產生額外的噪聲，這樣又會導致發(fā)生EMI(見圖1)。實際上幾瓦功率的轉換就會擴大EMI的輻射范圍。

圖4.引腳排列有助于減小環(huán)路面積。左圖：優(yōu)化的引腳排列;右圖：非優(yōu)化布局，幾乎無法形成良好的布局。

輻射的電磁能與其流過的電流量(I)和環(huán)路面積(A)成正比。減小交流電流和電壓環(huán)路的面積有助于降低EMI(見圖2和圖3)。

著眼于引腳排列(見圖4)可以幫助您通過減小高dI/dt環(huán)路面積來更好地設計良好布局。例如，開關節(jié)點能夠引發(fā)高電流變化(dI)和高電壓轉換(dV)。良好的引腳排列可以分離噪聲敏感引腳和噪聲引腳。開關節(jié)點和啟動引腳應盡可能遠離噪聲敏感型反饋引腳。此外，輸入引腳和接地引腳應相鄰。這樣便簡化了PCB上的布線和輸入電容器的放置。

圖5顯示了LMR23630SIMPLE SWITCHER?轉換器的改進評估模塊(EVM)。兩個輸入電容器距離輸入引腳約2.5厘米。之所以如此排列，是為了模擬不良布局，因為電流環(huán)路區(qū)域(圖5中的紅色矩形)比數(shù)據(jù)表所要求和建議的要大。圖5中的橢圓形紅色形狀表示轉換器和電感器之間的開關節(jié)點。IC和電感器之間的環(huán)路面積越小越好。

圖5.輸入引腳和輸入電容器之間環(huán)路面積(紅色矩形)較大的錯誤布局示例。在IC和電感器之間形成第二個環(huán)路區(qū)域(橢圓形紅色形狀)。

圖6中的曲線圖顯示了LMR23630轉換器的EMI輻射，其中只有VIN、GND和輸入電容器之間形成的環(huán)路面積不同。良好的布局中電容器盡可能靠近輸入引腳和接地引腳(環(huán)路面積盡可能地小)。而不良的布局中輸入電容器距離輸入引腳2.5厘米，從而形成一個較大的環(huán)路面積。

圖6.LMR23630轉換器輸入電容布局對EMI輻射的影響。

圖6中曲線圖的紅線表示不良布局的EMI輻射。藍線表示采用相同EVM的良好布局的EMI輻射。修改一個環(huán)路面積會產生巨大的影響。LMR23630轉換器的EMI輻射水平可降低20 dBμV/m以上。

圖7.不同類型電源模塊的內部組成。在這兩種情況下，電感器均位于IC晶片的頂部。

因此，在采用降壓轉換器或降壓電源模塊進行設計時，如何放置輸入電容器應該是首要考慮因素之一。電源模塊還具有以下優(yōu)點：電感器和IC之間的關鍵環(huán)路面積已經(jīng)過優(yōu)化。電感器在封裝內部與集成電路連接(見圖7)。這種放置方式會在封裝內部形成一個較小的環(huán)路區(qū)域。因此，不必將噪聲開關節(jié)點布線在印刷電路板上。

電源模塊中屏蔽了其中的大多數(shù)電感器，以防止來自線圈的電磁輻射。在非常靠近電感器的地方會發(fā)生高電流電壓轉換，并且開關節(jié)點的一部分電磁場受到屏蔽，電感器位于引線框架的頂部(見圖7)。

快速的電壓和電流瞬變

快速瞬變會導致開關節(jié)點發(fā)生振鈴，從而產生EMI。在某些情況下，轉換器可連接至啟動引腳。將一個電阻器與啟動電容器串聯(lián)放置會增加上升時間(dt)，在降低EMI的同時損失了效率。

圖8.將啟動電阻器添加到LMR23630轉換器開關節(jié)點的影響。EMI輻射較低，但由于開關損耗較高，因此效率有所降低。

圖8顯示了LMR23630 EVM的EMI輻射掃描。對布局進行更改后，將輸入電容器放在距引腳約2.5厘米遠的位置，以模擬不良布局，并展示啟動電容器的放置將如何影響EMI特性。在設計中多放一個啟動電容器可能比完全改變布局更容易。建議您在設計時始終將啟動電容器考慮進去，以備不時之需。如果沒有，您可以使用0Ω電阻器來減少PCB上的空間。

將啟動電阻器與啟動電容器串聯(lián)可以降低EMI頻譜。某些頻率范圍中的發(fā)射會降低達6dB。圖8還顯示了效率平衡情況。使用30.1Ω的電阻器縮短上升時間dt，從而將效率降低1%以上。

看一下功率損耗就更能說明這一點。滿載(3A)的功率損耗從1.9W增加到2.1W。功率損耗超過10%時,可能會導致散熱問題。

在開關節(jié)點引腳和接地引腳之間放置一個小型肖特基二極管可以降低反向恢復電流，從而降低同步轉換器中的開關節(jié)點電流振鈴dI，但這樣會提高物料清單(BOM)成本?；蛘?，您可以添加一個緩沖網(wǎng)絡，其中包含一個位于開關節(jié)點與接地之間的額外的大封裝電容和電阻。緩沖器可消耗開關節(jié)點振鈴的能量，但需要知道附加組件的振鈴頻率和正確計算。這種方法同樣會降低開關電源的效率。

電流路徑中的寄生電感和電容

對于同步降壓轉換器，每個IC架構會產生不同強度的噪聲，表現(xiàn)為EMI輻射。但很難從數(shù)據(jù)表中找到這一項。大多數(shù)數(shù)據(jù)表都沒有提供EMI圖，因為PCB布局、BOM組件和其他因素會對EMI特性產生影響。幸運的話，EVM用戶指南會提供此特定設計的EMI特性圖。但如果您的設計與EVM的布局和BOM不匹配，您所設計的應用的EMI特性可能會有很大差異。電源模塊簡化了布局，實現(xiàn)了快速簡便的設計，因為您只需要考慮一些經(jīng)驗法則。例如，盡量減少接地平面中的跡線或切口數(shù)量;必要時，將其設計為與電流方向保持平行(圖9)。

圖9.PCB中的切口和跡線會影響電流，因此也會影響輻射EMI。

保護噪聲敏感節(jié)點免受噪聲節(jié)點的影響

盡可能縮短噪聲敏感節(jié)點，并遠離噪聲節(jié)點。例如，從電阻分壓網(wǎng)絡到反饋(FB)引腳的長跡線可以充當天線并捕獲電磁輻射干擾的噪聲(圖10)。這種噪聲會被引入FB引腳，致使輸出端產生額外的噪聲，甚至使器件不穩(wěn)定。在設計開關降壓調節(jié)器的布局時，將這一切都考慮在內是一個挑戰(zhàn)。

噪聲敏感節(jié)點噪聲節(jié)點

反饋引腳開關節(jié)點

頻率設定電感器

補償網(wǎng)絡高dI/dt電容器

傳感路徑等FET、二極管等

表1.降壓轉換器中噪聲敏感節(jié)點和噪聲節(jié)點的示例。

圖10.始終將FB引腳上的電阻分壓器盡可能靠近FB引腳放置。

模塊的優(yōu)勢在于將噪聲敏感節(jié)點和噪聲節(jié)點保持在最低限度，從而最大限度地減小錯誤布局的幾率。唯一要注意的是保持FB引腳的跡線盡可能短。

結論

在開關降壓轉換器中有許多用來調節(jié)EMI的旋鈕，但用來實現(xiàn)最佳方案可能還不夠方便。找到最佳配置會花費大量寶貴的設計時間。電源模塊早已包括FET和電感器，這就使得創(chuàng)建和完成具有良好EMI特性的電源設計變得簡單而又快捷。使用降壓模塊進行設計時最關鍵的一點是一些外部元件的放置方式，這有助于顯著提高EMI特性。

轉換器和電源模塊的EMI比較

前文說明了開關電源中EMI的以及如何降低EMI?，F(xiàn)在，本文將通過比較轉換器和使用相同集成電路(IC)的電源模塊之間的測量結果，來演示模塊如何幫助減輕EMI輻射。兩者均來自TI的SIMPLE SWITCHER產品線，轉換器為LMR23630，電源模塊為LMZM33603 ，采用LMR23630 IC。通過對兩個器件的EVM做部分更改，以獲得相同的BOM數(shù)，因此結果僅取決于所選部件(轉換器或電源模塊)和布局。兩種EVM均具有良好的優(yōu)化布局。之后，將電容器放置在遠離輸入引腳的位置，就生成了不良布局。

LMR23630轉換器的性能

圖11.具有不同輸入電容布局的LMR23630轉換器的EMI輻射。

圖11顯示了不同設計布局的四種不同EMI頻譜。設計布局從優(yōu)至劣排列(類似于圖5，只是把各步驟分開)。第一次測量(良好布局/藍線)時，未對EVM的布局做出更改(良好布局中所有的輸入電容器都非?？拷斎胍_)。第二次測量(小電容器靠近/紅線)時，兩個4.7μF電容器均放置在距輸入引腳2.5厘米處。0.22μF的小電容器非?？拷斎胍_。在第三(小電容器遠離/綠線)和第四(無小電容器/紫線)次測量時，小電容器分別距輸入引腳2.5厘米，然后完全移除。

您可以在圖11中看到輸入電容器的放置非常關鍵。將小輸入電容器遠離輸入引腳放置或將其完全移除會違背CISPR 22 A3M級標準。將小電容器靠近輸入引腳放置可以最大限度地減少高頻環(huán)路面積。小電容器可濾除高頻噪聲，而較大電容的電容器可濾除低頻噪聲。

電源模塊的封裝中通常包含一個小輸入電容器。讓我們看看布局不良時電源模塊的性能。

LMZM33603電源模塊的性能

圖12顯示了電源模塊的EVM布局，同樣從優(yōu)至劣排列。藍線表示未更改EVM的EMI輻射。紅線和綠線表示不良布局，其中一條線有兩個4.7μF輸入電容器，位于PCB底部下方(紅線)。綠線的電容器距輸入引腳約3.5厘米(圖13中以紅色橢圓形突出顯示)。圖13中的紅色粗線還顯示了更改后的EVM，以及VIN、輸入電容器和接地之間形成的關鍵環(huán)路區(qū)域。EMI特性變差，但并不違背CISPR 22 A3M級標準。

圖12.TI LMZM33603電源模塊的EMI輻射特性

圖13.TI LMZM33603電源模塊的不良布局示例。

電源模塊可以補救布局設計錯誤

圖14在單個圖表中對LMR23630轉換器(紅線)和LMZM33603電源模塊(藍線)做出了對比。兩者均有類似的不良布局，所有外部輸入電容器都遠離輸入引腳。

顯然，LMZM33603電源模塊的EMI輻射特性要優(yōu)于LMR23630轉換器。盡管兩種布局均不完美，但電源模塊會通過CISPR測試，而轉換器無法通過測試。

圖14.比較TI LMR23630轉換器和LMZM33603電源模塊的EMI特性。

結論

正如前文所說，為開關電源創(chuàng)建良好的布局設計具有挑戰(zhàn)性。即使是經(jīng)驗豐富的工程師也容易犯錯，例如輸入電容器的放置位置不當。

電源模塊更有利于減少設計布局錯誤。在滿足EMI特性方面，它們是開關電源的理想選擇，并且對高效利用設計時間至關重要。