如何应对PCB中的電(diàn)源EMI

2021-05-26

如何应对PCB中的電(diàn)源EMI

電(diàn)源是我们所有(yǒu)人都认為(wèi)理(lǐ)所当然的系统之一。電(diàn)源设计中每个人的首要任務(wù)通常是确保電(diàn)压和電(diàn)流输出达到所需的水平，可(kě)能(néng)还要考虑散热因素。但是，由于安全问题，EMC要求，使用(yòng)更高的PWM频率以及需要更小(xiǎo)的封装，電(diàn)源EMI应该是主要的设计考虑因素。電(diàn)源EMI应由设计者自担风险，因為(wèi)未通过EMC测试将导致一系列重新(xīn)设计，从而浪费时间和金钱。

话虽如此，電(diàn)源EMI的主要来源是什么，電(diàn)源设计人员如何才能(néng)对其进行检查？来自電(diàn)源的EMI主要表现為(wèi)传导EMI被驱动至负载，但该器件也存在辐射EMI，尤其是在设计大電(diàn)流开关稳压器时。尽管我们不能(néng)在本文(wén)中介绍每一个方面，但我将整理(lǐ)一系列策略，以帮助您开始解决一些常见的電(diàn)源EMI问题。

查找電(diàn)源EMI的原因

如上所述，尽管开关電(diàn)源中可(kě)能(néng)存在特别强的辐射EMI，但電(diàn)源主要输出传导的EMI。在考虑電(diàn)源中的EMI时，在规划PCB布局时，我们需要考虑拓扑结构以及是否要解决有(yǒu)害電(diàn)流或有(yǒu)害发射问题。与高频，大電(diàn)流开关稳压器相比，简单的線(xiàn)性稳压器或LDO解决的问题更少。

在下表中，我概述了三种常见的EMI来源及其在電(diàn)源设备和板载稳压器電(diàn)路中的产生。有(yǒu)时，我们有(yǒu)时需要區(qū)分(fēn)電(diàn)源内部发生的EMI和连接到電(diàn)源的電(diàn)路板接收到的EMI。实际上，每种类型的系统中EMI的大小(xiǎo)都是规模问题。产生EMI的基本机制在嵌入式電(diàn)源调节器和電(diàn)源单元中是相同的。

有(yǒu)关这些區(qū)域中的每个區(qū)域的卷均已编写，并且每个區(qū)域都不能(néng)孤立。例如，各种操作模式（例如，振铃）和开关参数（高PWM频率）可(kě)以组合以产生共模電(diàn)流，然后产生共模EMI或传导至下游组件以减少总功率输出。

让我们简要地看一下这些领域中的每一个，以了解它们与電(diàn)源EMI的关系。

共模電(diàn)流

共模電(diàn)流的驱动器有(yǒu)点违反直觉。共模電(diàn)流是一种電(diàn)效应，是由電(diàn)场变化驱动的，因此電(diàn)源中的共模電(diàn)流是由返回机箱的寄生電(diàn)容而不是寄生電(diàn)感来介导的。下图显示了電(diàn)源的直流调节部分(fēn)中的输入電(diàn)流示例，该電(diàn)流在PWR / GND导轨上显示為(wèi)共模噪声。

示例路径，其后是通过寄生電(diàn)容的共模電(diàn)流。在具有(yǒu)单独的系统，信号和机箱接地的PCB上可(kě)能(néng)会发生相同的影响。

请注意，即使从交流市電(diàn)输入中滤除了输入共模噪声之后，该電(diàn)流路径仍会出现在系统中。它还可(kě)能(néng)具有(yǒu)非常大的环路電(diàn)感，从而创建了发射或接收EMI的新(xīn)位置。

為(wèi)什么要这样开始呢(ne)？原因是上图中的点A和底盘之间存在電(diàn)位差，从而允许一些電(diàn)流通过寄生電(diàn)容传导回干線(xiàn)。在具有(yǒu)分(fēn)开的接地部分(fēn)的以太网板上也可(kě)能(néng)发生类似的问题，其中共模噪声会耦合到以太网网络链路的PHY端。

解决方案：这取决于共模電(diàn)流进入系统的方式。对于来自交流電(diàn)源的传导電(diàn)流，您将需要对電(diàn)源输出进行一些过滤。共模扼流圈是标准配置，或者您可(kě)以使用(yòng)pi滤波器进行额外的滤波。在某些系统中，例如以太网交换机，会发生共模電(diàn)流，但是您的工作是通过跟踪返回路径来防止它们传导到敏感電(diàn)路中。

是什么导致寄生振铃？

在上表中，我确定了可(kě)能(néng)发生振铃的几种原因，尤其是在不连续模式下。但是，寄生效应也可(kě)能(néng)导致设计中的阻尼条件发生变化，从而导致振铃引起的阻尼不足。在实际组件中发现了许多(duō)会影响振铃的寄生效应。除了预期的以外，还会发生这种情况。振铃的主要参与者包括：

MOSFET引線(xiàn)電(diàn)感，體(tǐ)電(diàn)容

電(diàn)感/变压器绕组電(diàn)容

PCB布局中電(diàn)流路径中的寄生電(diàn)感

電(diàn)路中寄生物(wù)与预期的RLC元素之间的相互作用(yòng)

電(diàn)源布局中的寄生物(wù)和所需组件形成等效的RLC電(diàn)路，该電(diàn)路可(kě)能(néng)显示出衰减不足的谐振。振铃出现在输出上的差模噪声中，功率谱跨越高MHz频率，具體(tǐ)取决于寄生電(diàn)路形成的等效RLC電(diàn)路的谐振频率。

利用(yòng)SPICE仿真可(kě)以在瞬态分(fēn)析中识别出阻尼不足的谐振。

解决方案：使用(yòng)寄生效应较小(xiǎo)的组件，这在物(wù)理(lǐ)上可(kě)能(néng)意味着更大或更小(xiǎo)的组件。不幸的是，无论是在实践中还是在仿真中，这都不像听起来那样容易。此外，您需要关注设计中最重要的寄生因素，并且需要接受的是，布局永遠(yuǎn)不会完全摆脱寄生因素。 

辐射EMI

辐射EMI有(yǒu)两个主要来源。首先，每当MOSFET开关时，它就会在开关稳压器中以突发方式发生，这还会产生一些跨越较宽功率谱的传导EMI（请参见下文(wén)）。其次，共模電(diàn)流也是辐射EMI的来源。这两个源的辐射方向图可(kě)能(néng)非常复杂，并且可(kě)能(néng)跨越多(duō)个谐波。

解决方案：您需要使用(yòng)低通滤波来尝试消除電(diàn)源输出中的某些传导（差分(fēn)模式）EMI。通过专注于降低共模電(diàn)流，可(kě)以显着降低辐射EMI，共模電(diàn)流的强度约為(wèi)差模辐射EMI的100倍。尽管可(kě)以通过在开关部分(fēn)附近浇灌接地并确保低环路電(diàn)感布線(xiàn)来抑制電(diàn)磁辐射，但开关電(diàn)磁辐射产生的電(diàn)磁干扰在很(hěn)大程度上是不可(kě)避免的。

来自降压转换器的示例传导和辐射EMI频谱。

请注意，上面显示的传导EMI频谱也可(kě)能(néng)出现在辐射EMI频谱中。从开关晶體(tǐ)中也可(kě)以看到这一点，由于沿时钟信号線(xiàn)路径的环路電(diàn)感较大，开关晶體(tǐ)会发出强烈的辐射。当高频PWM信号未在大参考平面附近布線(xiàn)时，可(kě)能(néng)会发生同样的情况。这个次要问题与布線(xiàn)有(yǒu)关，而不是与MOSFET或其他(tā)开关组件的开关性质有(yǒu)关。

无法通过简单的SPICE仿真来诊断这些类型的EMI，因為(wèi)它们在很(hěn)大程度上取决于物(wù)理(lǐ)布局。但是，场求解器实用(yòng)程序可(kě)以帮助您确定布局中具有(yǒu)强辐射发射，强振铃和共模電(diàn)流的位置。