开关电源传导 EMI 问题基本技巧

众所周知，开关电源是将功率半导体器件作为开关元件并通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。

但由于开关电源瞬态响应较差，易产生电磁干扰(EMI)信号，而这些EMI信号经过传导和辐射，不仅会污染电磁环境，还会对通信设备和电子仪器造成干扰。更重要的是，随着开关电源的体积越来越小、功率密度越来越大，EMI控制问题愈发成为限制其使用的关键因素。

EMI为何如此重要?

EMI全称为Electro Magnetic lnterference，是一种电子系统或分系统受非预期的电磁扰动造成的性能损害，其产生的条件和传播途径主要由干扰源、耦合途径、敏感设备三个基本要素组成。

何为干扰源?顾名思义就是产生电磁干扰的源头。一般分为内部干扰源和外部干扰源，其中内部干扰源包括开关电路、整流电路的整流二极管、杂散参数，外部干扰源包括电源干扰和雷电干扰。

那干扰源又是如何产生的?以开关电路为例，开关电路是开关电源的核心，同时也是主要干扰源之一，由开关管和高频变压器组成。

简单地说，由于开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，其产生的du/dt具有较大幅度的脉冲，频带较宽且谐波丰富。当开关管负载为高频变压器初级线圈时属于感性负载，此时原来导通的开关管关断，(找元器件现货上唯样商城)高频变压器的漏感产生了反电势E=-Ldi/dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。当然不止开关电路，上述提到的整流电路的整流二极管、杂散参数等都是导致EMI的重要原因。

一直以来，设计中的电磁干扰(EMI)问题十分令人头疼，尤其是在汽车领域。为了尽可能的减小电磁干扰，设计人员通常会在设计原理图和绘制布局时，通过降低高di / dt的环路面积以及开关转换速率来减小噪声源。

但是，有时无论布局和原理图的设计多么谨慎，仍然无法将传导EMI降低到所需的水平。这是因为噪声不仅取决于电路寄生参数，还与电流强度有关。另外，开关打开和关闭的动作会产生不连续的电流，这些不连续电流会在输入电容上产生电压纹波，从而增加EMI。

因此，有必要采用一些其他方法来提高传导EMI的性能。本文主要讨论的是引入输入滤波器来滤除噪声，或增加屏蔽罩来锁住噪声。

图1 EMI滤波器示意简图

图1是一个简化的EMI滤波器，包括共模(CM)滤波器和差模(DM)滤波器。 通常，DM滤波器主要用于滤除小于30MHz的噪声(DM噪声)，CM滤波器主要用于滤除30MHz至100MHz的噪声(CM噪声)。 但其实这两个滤波器对于整个频段的EMI噪声都有一定的抑制作用。

图2显示了一个不带滤波器的输入引线噪声，包括正向噪声和负向噪声，并标注了这些噪声的峰值水平和平均水平。 其中，该被测系统主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1输出5V/5A，并给后续芯片TPS65263QRHBRQ1供电，同时输出1.5V/3A，3.3V/2A以及1.8V/2A。 这两个芯片都工作在2.2MHz的开关频率下。 另外，图中显示的传导EMI标准是CISPR25 Class 5(C5)。有关该系统的更多信息，请查阅应用笔记SNVA810。

图2 C5标准下的噪声特性(无滤波器)

图3显示了增加一个DM滤波器后的EMI结果。 从图中可以看出，DM滤波器衰减了中频段DM噪声(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高频段噪声(30MHz至100MHz)也有所降低，但仍超过限制水平。这主要是因为DM滤波器对于高频段CM噪声的滤除能力有限。

图3 C5标准下的噪声特性(带DM滤波器)

图4显示了增加CM和DM滤波器后的噪声特性。 与图3相比，CM滤波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪声。 并且EMI性能也通过了CISPR25 C5标准。

图4 C5标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器)

图5显示了不同布局下带CM和DM滤波器的噪声特性，其中滤波器与图4相同。但与图4相比，整个频段的噪声增加了大约10dBμV/ m，高频噪声甚至还超出CISPR25 C5标准的平均值。

图5 C5标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器，不同布局)

图4和图5之间噪声结果的不同主要是由于PCB布线差异所致，如图6所示。图5的布线中(图6的右侧)，大面积覆铜(GND)包围着DM滤波器，并和Vin走线形成了一些寄生电容。 这些寄生电容为高频信号旁路滤波器提供了有效的低阻抗路径。 因此，为了最大限度地提高滤波器的性能，需要移除滤波器周围所有的覆铜，如图6左侧的布线。

图6 不同的PCB布线

除了增加滤波器外，另一种优化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。 这是因为连接着GND的金属屏蔽罩可以阻止噪声向外辐射。 图7推荐了一种屏蔽罩的摆放方法。该屏蔽罩恰好覆盖了板上所有的元器件。

图8显示了增加滤波器和屏蔽罩之后的EMI结果。 如图所示，整个频段的噪声几乎都被屏蔽罩消除，EMI性能非常好。 这主要是因为等效为天线的长输入引线会耦合大量辐射噪声，而屏蔽罩恰好隔绝了它们。在本设计中，中频噪声也会采用这种方式耦合到输入引线上。

图7 带屏蔽罩的PCB 3D模型

图8 C5标准下的噪声特性(带CM，DM滤波器以及屏蔽罩)

图9也显示了带滤波器和屏蔽罩的噪声特性。与图8 不同的是，图9中屏蔽罩是一个金属盒，它包裹了整个电路板，且只有输入引线裸露在外面。 虽然有了这个屏蔽罩，但一些辐射噪声仍然可以绕过EMI滤波器并耦合到PCB上的电源线，这将会导致比图8更差的噪声特性。有趣的是，图4，图8和图9中(相同的布局布线)高频带的噪声特性几乎相同。 这是因为在增加EMI滤波器后，能耦合到输入线上的高频段辐射噪声几乎已经不存在了。

任何的导体在测试EMI时都会有天线效应，因此建议使用客户量产所用的线材，包括输入线材与输出线材(不同的线材会有些许的差异)，而散热片一般会下地(或一参考电位)，外面有铝壳或金属导体时也要下地，避免导体因电场或磁场效应而产生干扰，成品的组件组装上也需注意是否有远离干扰源，任何导体经过磁性组件周边时也要注意磁性组件漏磁通所带来的干扰。

现代电力电子系统通常在开关模式下工作，产生了较大的电磁干扰(EMI)，EMI问题一直是电力电子工程师头疼的问题，解决EMI问题是一项既困难又耗时的工作，本文将介绍EMI是如何产生、传播以及如何优化解决。

常见缩略语：

● EMC(Electromagnetic Compatibility)：电磁兼容性

● EMI(Electromagnetic Interference)：电磁干扰

● EMS(Electromagnetic Susceptibility)：电磁抗扰度

● IEC(International Electrotechnical Commission)：国际电工委员会

● FCC(Federal Communication Commission)：美国联邦通信委员会

● CISPR：国际无线电干扰特别委员会

● CE：字母“CE”是法文句子的缩写，意指欧盟

● CCC(China Compulsory Certificate)：中国强制性产品认证制度，又称3C认证。

电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力，电磁兼容(EMC)包含电磁干扰(EMI)和电磁抗扰度(EMS)。