在選擇一款符合 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)的低 EMI 電源之前 您應(yīng)該了解些什么呢?

引言

由于市場對(duì)于提升信息技術(shù)和通信設(shè)備性能的需求，因此如今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著必需設(shè)計(jì) EMI 兼容產(chǎn)品的巨大挑戰(zhàn)。在銷售之前，所有通常被規(guī)定為具有一個(gè)高于 9kHz 之已調(diào)時(shí)鐘信號(hào)的信息技術(shù)設(shè)備 (ITE) 都必須滿足相關(guān)的政府標(biāo)準(zhǔn)，例如美國的 FCC Part 15 Subpart B 和歐盟的 EN55022，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工業(yè)和商業(yè)環(huán)境 (Class A) 以及家庭環(huán)境 (Class B) 的最大可容許輻射發(fā)射。鑒于此類嚴(yán)格的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)、工程人力資源限制和產(chǎn)品快速上市要求，使得通過 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證之電源模塊的普及率有所提高。然而重要的是必須知曉電源模塊在認(rèn)證時(shí)所處的電氣操作條件，以避免在之后的設(shè)計(jì)過程中感到詫異。對(duì)開關(guān)模式穩(wěn)壓器中的 EMI 干擾源和場強(qiáng)因子有所了解將有助于設(shè)計(jì)工程師選擇最佳的組件，以減輕特別是那些所需電流水平較高之尖端設(shè)備中的電磁輻射。

圖 1：FCC 輻射限值 (USA) 和 EN55022 Class B 輻射限值 (歐盟)

EMI 輻射源

由于其特殊的性質(zhì)，開關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生輻射到周圍大氣中的電磁波。脈沖電壓和電流將因開關(guān)動(dòng)作而出現(xiàn)，并直接影響輻射電磁波的強(qiáng)度 (見邊欄)。此外，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的寄生器件也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。圖 2 給出了一款典型的降壓型轉(zhuǎn)換器，其包括功率 MOSFET 的寄生電感器和寄生電容器。

圖 2：具寄生電感器和電容器的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器

在每個(gè)開關(guān)周期里，存儲(chǔ)在寄生電感器中的能量將和存儲(chǔ)于寄生電容器中的能量發(fā)生共振。當(dāng)能量釋放時(shí)將在開關(guān)節(jié)點(diǎn) (VSW) 上產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓尖峰，其最大可達(dá)輸入電壓的兩倍，如圖 3 所示。當(dāng) MOSFET 的電流能力增加時(shí)，存儲(chǔ)在寄生電容器中的能量往往也會(huì)增加。另外，開關(guān)動(dòng)作還使輸入電流以及流過頂端 MOSFET (ITOP) 和底端 MOSFET (IBOT) 的電流產(chǎn)生脈動(dòng)。此脈沖電流將在輸入電源電纜和 PCB 板印制線 (其充當(dāng)了發(fā)射天線) 上產(chǎn)生電波，從而產(chǎn)生輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射。

當(dāng)輸入電壓和輸出電流增加時(shí)，每個(gè)周期中功率電感器改變極性時(shí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓尖峰也將增大。而且，輸出電流越高，電路回路內(nèi)部產(chǎn)生的脈沖電流越大。因此，輻射發(fā)射在很大程度上取決于被測試器件所處的電氣操作條件。一般來說，輻射噪聲將隨著輸入電壓和輸出功率 (特別是輸出電流) 的提高而增加。由于作為低噪聲替代方案的線性穩(wěn)壓器效率過低，而且在高電壓和高功率級(jí)別下耗散過多的熱量，因此設(shè)計(jì)工程師不得不克服因采用最先進(jìn)的開關(guān)電源解決方案而引發(fā)的難題，其中的 EMI 抑制變得頗為棘手。

圖 3：12V 輸入降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器中的典型開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓尖峰和振鈴

EMI 抑制

用于降低來自開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的輻射 EMI 之替代方法面臨著其他的難題。一種傳統(tǒng)方法是在電源解決方案周圍增設(shè) EMI 屏蔽，其將在金屬外殼內(nèi)包含一個(gè) EMI 場。然而，EMI 屏蔽會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性、尺寸和成本。在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上 (VSW) 布設(shè)一個(gè) RC 減振器電路可幫助減小電壓尖峰和后續(xù)的振鈴?？墒牵鲈O(shè)一個(gè)減振器電路將降低工作效率，從而增加功率耗散，導(dǎo)致環(huán)境溫度和 PCB 溫度升高。最后一種對(duì)策是采取優(yōu)良的 PCB 布局方案，包括使用局部低 ESR 陶瓷去耦電容器，并為所有的大電流通路采用簡短的 PCB 走線間隔，以最大限度地抑制圖 2 中所示的寄生效應(yīng)，不過代價(jià)是增加了工程設(shè)計(jì)時(shí)間并延緩了產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

總的說來，為了同時(shí)滿足尺寸、效率、熱耗散和 EMI 規(guī)格要求，工程師必需具備豐富的電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并做出艱難的權(quán)衡取舍，特別是在高輸入電壓、高輸出功率應(yīng)用中 (原因如上所述)。為了評(píng)估折衷策略和設(shè)計(jì)一款符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)并滿足所有系統(tǒng)要求的電源轉(zhuǎn)換器，電路設(shè)計(jì)人員常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

保證符合EMI 標(biāo)準(zhǔn)的解決方案

為了對(duì)一款簡單和符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的高輸出功率電源設(shè)計(jì)提供保證，凌力爾特公司向一家獨(dú)立的認(rèn)證測試實(shí)驗(yàn)室 (TUV Rheinland) 提交了 LTM4613 8A 降壓型 µModule® 穩(wěn)壓器演示板 (DC1743 )，該實(shí)驗(yàn)室的 10 米 EN55022 試驗(yàn)箱得到了美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (U.S. National Institute of Standards and Technology — NIST) 的正式認(rèn)可。在一個(gè) 24V 輸入提供 96W 輸出功率的情況下，發(fā)現(xiàn) LTM4613 演示板符合 EN55022 Class B 限值。只需采用輸入電容、輸出電容和少量的其他小型組件，即可輕松實(shí)現(xiàn)一款符合 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)的“無憂型”解決方案，特別是在采用可免費(fèi)下載的 DC1743 光繪 (Gerber) 文件的情況下。[!--empirenews.page--]

圖 4：在 96W 輸出功率下 LTM4613 (DC1743) 的 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)相符性演示 (由獨(dú)立測試機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)實(shí)施)

在市面上所有經(jīng)驗(yàn)證符合 EN55022B 規(guī)范的電源模塊產(chǎn)品中，LTM4613 可提供最高的輸出功率和效率。憑借一個(gè)謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)的集成型濾波器、細(xì)致的內(nèi)部布局、屏蔽電感器、內(nèi)部減振器電路和功率晶體管驅(qū)動(dòng)器，LTM4613 在尺寸、輸出功率、效率和 EMI 輻射之間實(shí)現(xiàn)了完美的平衡。LTM4613 與經(jīng) EN55022B 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的 µModule 穩(wěn)壓器系列中其他許多成員 (其具有各種不同的輸出功率級(jí)別) 一起免除了增設(shè)磁屏蔽和外部減振器的需要，從而削減了解決方案總體尺寸、成本以及某些麻煩的設(shè)計(jì)任務(wù)。

總結(jié)

針對(duì) EMI 相符性來設(shè)計(jì)信息技術(shù)設(shè)備 (ITE) 產(chǎn)品是一項(xiàng)必然要求，它需要超乎尋常的技巧和時(shí)間。雖然很麻煩，但是對(duì)于保證相鄰電子設(shè)備或系統(tǒng)自身內(nèi)部其他附屬組件的正常功能運(yùn)轉(zhuǎn)而言，此類限制是至關(guān)緊要的。為滿足這一需求，業(yè)界推出了諸如 LTM4613 等經(jīng)過 EN55022 Class B 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的電源模塊。然而，由于 EMI 場強(qiáng)在很大程度上取決于諸多的因素 (例如：輸入電壓、輸出電流、輸出電壓和 PCB 布局)，因此在比較產(chǎn)品時(shí)應(yīng)確定：EN55022 認(rèn)證是在相似的電氣條件下進(jìn)行的 (由業(yè)界認(rèn)可的 EMI 測試實(shí)驗(yàn)室在與您的設(shè)計(jì)相近的輸入電壓和輸出功率級(jí)別下實(shí)施)。凌力爾特公布了針對(duì)最常見工作條件的 EMI 測試結(jié)果和演示板光繪文件，從而提供了一款由授權(quán)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的良好電源設(shè)計(jì)，這給客戶吃了顆“定心丸”。

EMI 輻射和電磁原理

對(duì)于電磁理論的思考將有助讀者更好地了解 EMI 對(duì)于工作在較高電壓和較高輸出功率下的大功率降壓型轉(zhuǎn)換器的影響。我們回憶一下高斯定理 (Gauss’ Law)，該闡述了某一封閉區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度與其內(nèi)部的總電荷成正比。

例如：該電荷量與通過一根 PCB 走線傳遞的電流大小成正比。(1A 等于每秒 1 庫侖電荷。) 于是，增加輸出功率所需的較高電流將產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場，由于交流電通路在一個(gè)周期之內(nèi)的不同時(shí)點(diǎn)運(yùn)行，所以在開關(guān)模式穩(wěn)壓器中電場始終處于變化之中就是理所當(dāng)然的事了。接著，麥克斯韋 (Maxwell) 方程組告訴我們：這一不斷變化的電場將產(chǎn)生一個(gè)成比例增強(qiáng)的磁場，從而引起一個(gè)從導(dǎo)體 (降壓型轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的所有電流通路) 輻射的自保持 EMI 電波。這里進(jìn)行的討論并不能盡述，例如：對(duì)于圍繞電流通路的磁性組件以及功率電感器上快速極性變化的影響尚未涉及，不過，較高輸出功率對(duì)于輻射 EMI 的影響卻是清晰可見的。