如何使PCB電路符合EMI和EMC兼容性的要求

理解電壓調(diào)節(jié)器的物理特性對于設(shè)計符合EMI和EMC兼容性要求的電源系統(tǒng)至關(guān)重要。開關(guān)調(diào)節(jié)器(降壓、升壓、反激以及SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))的物理特性對于元件選擇、電磁設(shè)計以及PCB布局具有特殊的指導(dǎo)意義。漏感、ESR和ESL的寄生效應(yīng)是優(yōu)化電路性能的關(guān)鍵所在。

大多數(shù)便攜設(shè)備包含電壓調(diào)節(jié)器或其它類型的電源電路，許多非便攜式設(shè)備中使用的小尺寸光刻技術(shù)IC要求較低的供電電壓，也必須由特定的電源電路來提供。然而許多設(shè)計者并不完全了解，電壓調(diào)節(jié)器和電源電路的選擇對于電池壽命、電磁干擾/電磁兼容(EMI/EMC)規(guī)范的兼容性、甚至產(chǎn)品的基本性能能否達(dá)到設(shè)計要求都有著重大影響。以下就有關(guān)電源電路中電氣噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)制及物理原理進(jìn)行討論。

電壓調(diào)節(jié)器

最為普通的功率轉(zhuǎn)換器就是電壓調(diào)節(jié)器。它可以接受一個在某給定范圍內(nèi)變動的輸入電壓，并產(chǎn)生一個不變的輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器主要包含兩大類：開關(guān)型和所有其它類型(主要是線性和并聯(lián)型)。不同于開關(guān)型調(diào)節(jié)器，線性和并聯(lián)型的適用范圍很有限，因為其輸出電壓必須保持低于輸入電壓。另外，大多數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率也優(yōu)于對應(yīng)的線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器。不過，線性/并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的低噪聲和簡單性使它們相對于開關(guān)調(diào)節(jié)器更有吸引力。

最簡單的電壓調(diào)節(jié)器是并聯(lián)型調(diào)節(jié)器，它通過調(diào)節(jié)流過電阻的電流，使輸入電壓下降到一個穩(wěn)定的輸出電平。齊納二極管具有類似功能，但齊納管中的功率消耗過大，且負(fù)載調(diào)整(輸出電壓隨負(fù)載電流的變化)很差。有些并聯(lián)調(diào)節(jié)器允許利用分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)定穩(wěn)定電壓，但通常是作為一個功能模塊出現(xiàn)在更為復(fù)雜的調(diào)節(jié)器或電源中。一般來講，并聯(lián)調(diào)節(jié)器適合于負(fù)載電流變化不大的低功耗系統(tǒng)。然而，這種狹窄的應(yīng)用范圍可以通過增加一個有源調(diào)整元件(通常是一個雙極晶體管)而得以擴(kuò)展，此時的并聯(lián)調(diào)節(jié)器就轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性調(diào)節(jié)器。

線性電壓調(diào)節(jié)器

線性電壓調(diào)節(jié)器利用一個有源調(diào)整元件(雙極型或MOSFET)將輸入電壓降低至穩(wěn)定的輸出電壓。這類器件中，低壓差型(LDO)在過去的十年中已十分流行。壓差指維持輸出穩(wěn)定所需的最小電壓差異(輸入和輸出之間)。降落電壓高達(dá)1V的調(diào)節(jié)器一度被稱為LDO，但更典型的壓差值在100mV至300mV之間。

線性調(diào)節(jié)器的輸入電流接近于輸出電流，它的效率(輸出功率除以輸入功率)是輸出/輸入電壓比的函數(shù)。因此，壓差是一個非常重要的性能，因為更低的壓差意味著更高的效率。如果輸入電壓高出輸出很多，或者它在很寬的范圍內(nèi)變動，那么就很難獲得比較高的轉(zhuǎn)換效率。除此之外LDO調(diào)節(jié)器還可作為一道屏障來隔離開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲(進(jìn)一步討論)。在此用途中，LDO調(diào)節(jié)器的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。

開關(guān)調(diào)節(jié)器

如果線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的性能不能滿足應(yīng)用要求，那么設(shè)計者就必須轉(zhuǎn)而考慮開關(guān)型調(diào)節(jié)器。然而，伴隨著性能的改進(jìn)也帶來一些不足之處，例如更大的尺寸和更高的成本，更敏感于(并產(chǎn)生)電氣噪聲，以及復(fù)雜程度的增加等等。

開關(guān)調(diào)節(jié)器或電源所產(chǎn)生的噪聲以傳導(dǎo)或輻射的形式出現(xiàn)。傳導(dǎo)型噪聲表現(xiàn)為電壓或電流形式，它們還可進(jìn)一步分類為共?；虿钅鞑シ绞健８鼮閺?fù)雜的是，連接線上有限的阻抗會將電壓傳播轉(zhuǎn)換為電流傳播，反之亦然，并且差模傳播也會產(chǎn)生出共模傳播噪聲，反之亦然。

一般來講，你可以降低上述一種或多種傳播類型的噪聲使電路得到優(yōu)化。傳導(dǎo)型噪聲對于固定系統(tǒng)的影響往往比對便攜式系統(tǒng)更為嚴(yán)重。因為便攜式設(shè)備依靠電池工作，它的負(fù)載和電源沒有傳播傳導(dǎo)型噪聲的外部連接。

為了理解開關(guān)調(diào)節(jié)器中的噪聲源，必須首先了解其工作原理。對于各種類型開關(guān)調(diào)節(jié)器的描述超出了本文的涉及范圍。不過，基本上各種開關(guān)調(diào)節(jié)器都是利用有源元件(晶體管和二極管)在儲能元件(電感和電容)之間往復(fù)傳送電流，最終實現(xiàn)源端電壓/電流到負(fù)載端電壓/電流的轉(zhuǎn)換。為方便描述，采用MAX1653 DC/DC轉(zhuǎn)換控制器構(gòu)成典型的同步整流、降壓型轉(zhuǎn)換器(圖1)。

圖1. 圖中所示的降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器采用外接的開關(guān)管(N1)和同步整流器(N2)

正常工作期間，該電路在高端開關(guān)(N1)導(dǎo)通時從輸入向輸出傳送電流，而在N1關(guān)斷、同步整流器(N2)導(dǎo)通時由電感繼續(xù)傳送。粗略假定所有元件都是理想的，可以得到近似一階的電流和電壓波形(圖2)，這些元件的寄生效應(yīng)將在后續(xù)部分中考慮進(jìn)來。

由于N1僅在一部分時間內(nèi)導(dǎo)通，從源端和輸入電容(CIN)的位置看來電流是不連續(xù)的。CIN在N1導(dǎo)通時提供超出部分電流(IL - IINPUT)，而在N1關(guān)斷時由輸入電流儲存電荷。如果CIN為無限大，且具有零等效串聯(lián)電阻(ESR)和零等效串聯(lián)電感(ESL)，它兩端的電壓將在上述充電和放電周期中保持恒定。當(dāng)然，實際電壓會在每個周期間波動。電流脈沖根據(jù)電導(dǎo)率關(guān)系，以等于或高于轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的速度，在CIN和輸入源之間進(jìn)行分配。

降低這種傳導(dǎo)型噪聲的一種最直接的方法是：在輸入端連接低阻抗旁路電容。另外一種靈巧一點的辦法更為節(jié)省成本和電路板空間：增加電源和轉(zhuǎn)換器之間的阻抗，并確保必要的直流電流能夠不受阻礙地通過。最佳的阻抗元件是電感器，但應(yīng)確保轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗在最高至環(huán)路的轉(zhuǎn)折頻率時都保持較低的水平(大多數(shù)DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的環(huán)路轉(zhuǎn)折點位于10kHz到100kHz間)。否則的話，輸入電壓的波動會導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。

輸出電容(COUT)上的紋波電流要比CIN上的低得多，不但幅度較低，而且(不同于輸入電容)電流是連續(xù)的，因此也就具有比較少的諧波成分。通常，每匝線圈都被一層絕緣物質(zhì)覆蓋，這就在各匝線圈之間形成了一個小的電容。這些雜散電容串聯(lián)疊加后形成一個和電感相并聯(lián)的小等效電容，它提供了一條將沖擊電流傳導(dǎo)至COUT和負(fù)載的通路。這樣，開關(guān)節(jié)點處(LX)電壓波形的不連續(xù)跳變沿就會向COUT和負(fù)載傳送高頻電流，結(jié)果常常是在輸出電壓上形成毛刺，能量分布于20MHz至50MHz范圍。

這種類型轉(zhuǎn)換器的負(fù)載常常是對于傳導(dǎo)噪聲敏感的某種形式的微電子電路，不過幸運的是，轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲在輸出端比起輸入端來更容易控制。和輸入端一樣，輸出傳導(dǎo)噪聲也可以利用低阻抗旁路或第二級濾波來加以控制，第二級(后端)濾波器的使用應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。輸出電壓是控制環(huán)路中的一個控制變量，輸出濾波器給環(huán)路增益附加了延時或相移(或兩者)，有可能使電路不穩(wěn)定。如果一個高Q值LC后端濾波器被置于反饋點之后，電感的電阻將會降低負(fù)載調(diào)整特性，并且瞬態(tài)負(fù)載電流會引起輸出振蕩。

其它類型的開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有與降壓轉(zhuǎn)換器類似的問題。以升壓型轉(zhuǎn)換器(圖3)為例，此種類型轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)類似于降壓型轉(zhuǎn)換器，只不過輸入和輸出易位。這樣，出現(xiàn)于降壓轉(zhuǎn)換器輸入端的問題也會出現(xiàn)在升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，反之亦然。

圖3. 這個升壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器缺省同步整流器，但仍然相似于輸入和輸出互換的降壓型結(jié)構(gòu)。[!--empirenews.page--]

降壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用具有局限性，因為其輸出電壓必須低于輸入電壓。類似地，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓必須高于其輸入電壓。當(dāng)輸出電壓落在輸入電壓范圍之間時，就給這兩種拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器造成一些困難。反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢越鉀Q這個問題(圖4)。

圖4. 反激式調(diào)節(jié)器在輸入范圍高于和低于輸出電壓的情況下都可保持穩(wěn)定的輸出

反激式轉(zhuǎn)換器輸入、輸出端的電流均不連續(xù)，這使傳導(dǎo)型噪聲更加難以控制，這種轉(zhuǎn)換器的噪聲特性通常比升壓型或降壓型更差。存在于這種轉(zhuǎn)換器的另一個問題是，變壓器上每個繞組中的電流都不連續(xù)。這種不連續(xù)電流作用于變壓器漏感就會產(chǎn)生高頻電壓尖刺，它可以傳播到其它電路。初、次級線圈之間的空間間隔是造成漏感的主要原因。也就是說，漏感是由空氣中的磁場引起的(因為磁芯中的磁場同時耦合至初級和次級線圈)。因此，因漏感而產(chǎn)生的電壓尖刺會產(chǎn)生電磁輻射。

另一種解決輸入和輸出電壓交疊問題的方法是采用單端主電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)?。SEPIC轉(zhuǎn)換器類似于反激式電路，只是在變壓器初級和次級線圈間連接了一個電容(圖5)。在反激電流被切斷時，這個電容提供了一條初級和次級線圈的續(xù)流通路，由于初級和次級線圈中的電流變?yōu)檫B續(xù)，因此改善了反激式電路的性能。從另一方面講，增加反激式電路的輸入輸出電容通常也可以有效改善其噪聲性能，使這種拓?fù)淇梢员唤邮堋Ｈ绻麄鲗?dǎo)噪聲和輻射噪聲可能會成為問題的話，那么SEPIC電路要優(yōu)于反激式

圖5. 不同于非常相似的反激式調(diào)節(jié)器，單端主電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)具有連續(xù)的初級和次級電流，所產(chǎn)生的噪聲更

線性后端調(diào)節(jié)

有些應(yīng)用要求輸出噪聲非常小，而又無法接受線性調(diào)節(jié)器的低效率。這種情況下，采用開關(guān)調(diào)節(jié)器后接線性調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)可能會比較適合。后端調(diào)節(jié)器可以削弱開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的高頻噪聲，最終的噪聲性能可以接近于一個單獨的線性調(diào)節(jié)器。由于大部分電壓轉(zhuǎn)換由開關(guān)調(diào)節(jié)器完成，因而效率的損失要比完全采用線性調(diào)節(jié)器時小得多。

這種方案也可以用于在輸入輸出電壓范圍有重疊的應(yīng)用中，替換反激式和SEPIC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓低于輸出時升壓轉(zhuǎn)換器工作，而當(dāng)輸入高于輸出時線性調(diào)節(jié)器發(fā)揮作用。升壓轉(zhuǎn)換器和低壓差(LDO)線性調(diào)節(jié)器可以被組合到單片IC中(圖6)。這種器件具有一種跟蹤模式，使升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓總是高出LDO輸出電壓300mV。這樣，LDO調(diào)節(jié)器能夠保證具有足夠的PSRR和電壓裕量(輸入減輸出)，可以在各種情況下抑制升壓轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。

圖6. 作為第三種選擇方案，此IC結(jié)合了一個開關(guān)型調(diào)節(jié)器(用于升壓)和一個線性調(diào)節(jié)器(用于降壓)，當(dāng)輸入電壓范圍跨越輸出電壓時可以保持穩(wěn)定的輸出。

按照定義，共模傳導(dǎo)噪聲在輸入或輸出端的兩條連接線上相位相同。一般來講，它僅對那些和大地有連接通路的固定系統(tǒng)造成影響。在一個帶有共模濾波器的典型離線式電源中(圖7)，共模噪聲的主要是MOSFET。MOSFET通常是電路中的主要耗能元件，很多情況下它需要配散熱器。

圖7. 在這個典型的離線式電源中，共模濾波器可降低輸入和輸出兩側(cè)的噪聲。

TO-220器件的散熱片連接于MOSFET漏極，而大多數(shù)情況下，散熱器會向大地傳導(dǎo)電流。由于MOSFET與散熱器電氣隔離，它和大地之間具有一定的分布電容。隨著開關(guān)的打開和關(guān)斷，迅速變化的漏極電壓會通過分布電容(CP1)向大地發(fā)送電流。由于交流電線和大地之間的低阻抗，這種共模電流會通過交流輸入流入大地。變壓器也會通過分布于隔離的初、次級繞組間的電容(CP2A和CP2B)傳導(dǎo)高頻電流。這樣，噪聲會同時傳向輸出端和輸入端。

中，共模傳導(dǎo)噪聲被安置在噪聲源(電源)和輸入或輸出之間的共模濾波器抑制。共模扼流圈(CML1和CML2)通常是在單一磁芯上按圖中所示極性繞制而成。負(fù)載電流和驅(qū)動電源的入線電流都是差模電流(電流由一條線流入另一條線流出)。在這種由單一磁芯繞制的共模扼流圈中，差模電流產(chǎn)生的磁場互相抵消，因此可以使用較小的磁芯，因為其中的儲能很小。

許多為離線式電源設(shè)計的共模扼流圈采用空間上分離的線圈繞成。這種結(jié)構(gòu)增加了一定的差模電感，這有助于降低傳導(dǎo)型差模噪聲。由于磁芯同時穿過兩組線圈，所以由差模電流和電感產(chǎn)生的磁場主要存在于空氣中而非磁芯中，這會導(dǎo)致電磁輻射。

產(chǎn)生于電源所帶負(fù)載的共模噪聲會經(jīng)由變壓器中的分布電容(CP2A和CP2B)，穿過電源向交流電網(wǎng)傳播。在變壓器中增加法拉第屏蔽(初、次級之間的接地層)可以降低這種噪聲(圖8)。屏蔽層的引入在初級和次級線圈與地之間分別形成了分布電容，這些電容將共模電流旁路到地，而不再穿過變壓器。

初級和次級之間的法拉第屏蔽可以阻斷通過變壓器繞組間分布電容的共模噪聲

正如傳導(dǎo)噪聲總是以電壓或電流的形式出現(xiàn)，輻射噪聲則是表現(xiàn)為電場或磁場的形式。然而，由于電磁場存在于空間而非導(dǎo)體中，因此也就沒有差分或共模之別。電場存在于兩個電位之間的空間中，磁場圍繞通過空間的電流而存在。兩種場可存在于一個電路中，因為電容就是以電場的形式儲能而電感/變壓器則以磁場的形式儲存/耦合能量。

電場

由于電場存在于兩個具有不同電位的表面或?qū)嶓w之間，因此，只需要用一個接地的防護(hù)罩將設(shè)備屏蔽起來，就可以相對容易地將設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的電場噪聲限制在屏蔽罩內(nèi)部。這種屏蔽措施已被廣泛用于監(jiān)視器、示波器、開關(guān)電源以及其它具有大幅度電壓擺動的設(shè)備。另外一種通行的做法是在電路板上設(shè)置接地層。電場強(qiáng)度正比于表面之間的電位差，并反比于它們之間的距離。舉例來講，電場可存在于源和附近的接地層之間。這樣，利用多層線路板，在電路或線條與高電位之間設(shè)置一個接地層，就可以對電場起到屏蔽作用。

不過在采用接地層時還應(yīng)注意到高壓線路中的容性負(fù)載。電容儲能于電場中，這樣，當(dāng)靠近一個電容設(shè)置接地層時就在導(dǎo)體和地之間形成一個電容。導(dǎo)體上的大dV/dt信號會產(chǎn)生大傳導(dǎo)電流到地，這樣，在控制輻射噪聲的同時卻降低了傳導(dǎo)噪聲性能。

如果出現(xiàn)電場散射，最有可能位于系統(tǒng)中電位最高的地方。在電源和開關(guān)調(diào)節(jié)器中，應(yīng)該注意開關(guān)晶體管和整流器，因為它們通常具有高電位，而且由于帶有散熱器，也具有比較大的表面積。表面安裝器件同樣存在這個問題，因為它們常常要求大面積電路板覆銅來幫助散熱。這種情況下，還應(yīng)注意大面積散熱面和接地層或電源層之間的分布電容。

磁場

電場相對比較容易控制，但磁場就完全不同了。采用高磁導(dǎo)率(?)的物質(zhì)將電路封閉起來可以起到類似的屏蔽作用，但是這種方法實現(xiàn)起來非常困難而且昂貴。通常來講，控制磁場散射最好的辦法就是在源頭將其減至最小。一般情況下，這就要求選擇那些磁輻射小的電感和變壓器。同樣重要的還有，在進(jìn)行電路板布局和連接線配置時要注意最大限度減小電流回路的尺寸，尤其是那些載有大電流的回路。大電流回路不僅向外輻射磁場，但它們還增加了導(dǎo)線的電感，這會在載有高頻電流的線上引起電壓尖刺。