降低开关電(diàn)源EMI的PCB设计方法

2020-03-30

开关模式電(diàn)源是AC-DC或DC-DC電(diàn)源的通用(yòng)术语，这些電(diàn)源使用(yòng)具有(yǒu)快速开关动作的電(diàn)路进行電(diàn)压转换/转换（降压或升压）。随着每天开发出更多(duō)的设备（潜在的EMI受害者），克服EMI成為(wèi)工程师面临的主要挑战，并且实现電(diàn)磁兼容性（EMC）与使设备正常运行同等重要。如何降低开关電(diàn)源EMI辐射问题，下面介绍这些能(néng)降低EMI的PCB设计。

开关電(diàn)源中的EMI来源

解决任何EMI问题通常需要了解干扰源，与其他(tā)電(diàn)路（受害者）的耦合路径以及对性能(néng)造成负面影响的受害者的性质。在产品开发期间，通常几乎不可(kě)能(néng)确定EMI对潜在受害者的影响，因此，EMI控制工作通常集中在最小(xiǎo)化排放源（或降低磁化率）和消除/减少耦合路径上。

开关電(diàn)源電(diàn)源中EMI的主要来源可(kě)以追溯到其固有(yǒu)的PCB设计性质和开关特性。在从AC-DC或DC-DC转换的过程中，开关電(diàn)源中的MOSFET开关组件在高频下导通或关断都会产生错误的正弦波（方波），傅立叶级数可(kě)将其描述為(wèi)许多(duō)具有(yǒu)谐波相关频率的正弦波的总和。开关动作产生的谐波的完整傅立叶频谱变成了EMI，从電(diàn)源传输到设备中的其他(tā)電(diàn)路，以及附近容易受到这些频率影响的電(diàn)子设备。

除了开关噪声之外，开关電(diàn)源的另一个EMI来源是快速電(diàn)流（dI / dt）和電(diàn)压（dV / dt）转换（这也与开关有(yǒu)关）。根据麦克斯韦方程，这种交流電(diàn)和電(diàn)压会产生交变電(diàn)磁场，尽管该场的大小(xiǎo)会随着距离的增加而减小(xiǎo)，但它会与导電(diàn)部件（如PCB上的铜走線(xiàn)）相互作用(yòng)，它们就像天線(xiàn)一样，在線(xiàn)路上产生额外的噪声，导致EMI。

现在，直到源极的EMI耦合到相邻的電(diàn)路或设备（受害者）之前，它的危险性（有(yǒu)时）才变得如此危险，因此，通过消除/最小(xiǎo)化潜在的耦合路径，通常可(kě)以降低EMI。正如“ EMI简介 ”一文(wén)中讨论的那样，EMI耦合通常通过以下方式发生：传导（通过不需要的/改变用(yòng)途的路径或所谓的“隐身電(diàn)路”），感应（通过電(diàn)感性或電(diàn)容性元件（如变压器）进行耦合）和辐射（空中传输）。

通过了解这些耦合路径以及它们如何影响开关模式電(diàn)源中的EMI，PCB设计人员可(kě)以以使耦合路径的影响最小(xiǎo)化和减少干扰传播的方式创建他(tā)们的系统。

不同类型的EMI耦合机制

我们将研究与开关電(diàn)源相关的每种耦合机制，并建立引起它们存在的开关電(diàn)源PCB设计要素。

开关電(diàn)源中的辐射EMI：

当源和受體(tǐ)（受害人）充当无線(xiàn)電(diàn)天線(xiàn)时，就会发生辐射耦合。源辐射電(diàn)磁波，该電(diàn)磁波在源与受害者之间的开放空间中传播。在开关電(diàn)源中，辐射EMI传播通常与具有(yǒu)高di / dt的开关電(diàn)流相关，这是由于不良的PCB设计布局以及存在会引起漏感的布線(xiàn)习惯而导致存在具有(yǒu)快速電(diàn)流上升时间的环路而加剧的。

考虑下面的電(diàn)路；

電(diàn)路中快速的電(diàn)流变化除了正常的電(diàn)压输出（Vmeas）外，还会产生一个噪声電(diàn)压（Vnoise）。耦合机制类似于变压器的操作，因此Vnoise由等式给出；

V 噪声 = R M /（R S + R M）* M * di / dt

M / K是耦合因子，它取决于磁环路的距离，面积和方向，以及所讨论的环路之间的磁吸收，就像在变压器中一样。因此，在考虑较差的回路方向和较大的電(diàn)流回路面积的PCB布局中，往往会出现较高水平的辐射EMI。

开关電(diàn)源中的传导EMI：

当EMI辐射沿着将EMI源和接收器连接在一起的导體(tǐ)（電(diàn)線(xiàn)，電(diàn)缆，外壳和PCB上的铜走線(xiàn)）通过时，就会发生传导耦合。以这种方式耦合的EMI在電(diàn)源線(xiàn)上很(hěn)常见，并且在H场组件上通常很(hěn)重。

开关電(diàn)源中的传导耦合是共模传导（在+ ve和GND線(xiàn)上出现同相干扰）或差分(fēn)模式（在两个导體(tǐ)上出现异相）。

共模传导发射通常是由寄生電(diàn)容（如散热器和变压器的寄生電(diàn)容）以及電(diàn)路板布局以及开关两端的开关電(diàn)压波形引起的。

另一方面，差模传导发射是开关动作的结果，该开关动作导致输入端出现電(diàn)流脉冲并产生开关尖峰，从而导致差分(fēn)噪声的存在。

开关電(diàn)源中的感应EMI：

感应耦合时，有(yǒu)一个電(diàn)（由于電(diàn)容耦合）或磁（由于電(diàn)感耦合）的源极与受害者之间EMI感应发生。当两个相邻导體(tǐ)之间存在变化的電(diàn)场时，会发生電(diàn)耦合或電(diàn)容耦合，从而在它们之间的间隙上引起電(diàn)压变化；而当两个平行导體(tǐ)之间存在变化的磁场时，会发生磁耦合或電(diàn)感耦合。沿接收导體(tǐ)的電(diàn)压。

综上所述，虽然开关電(diàn)源中主要的EMI来源是高频开关动作以及由此产生的快速di / dt或dv / dt瞬态，但使能(néng)器有(yǒu)利于将产生的EMI传播/扩散到同一板上的潜在受害者。 （或外部系统）是由不良的组件选择，不良的PCB设计布局以及電(diàn)流路径中存在杂散電(diàn)感/電(diàn)容引起的因素。

降低开关電(diàn)源中EMI的PCB设计技术

在阅读本节之前，尽量先了解一下EMI / EMC周围的标准和法规，以提醒设计目标是什么。尽管地區(qū)之间的标准有(yǒu)所不同，但是由于协调一致，最普遍接受的两个标准在大多(duō)数地區(qū)都可(kě)以接受认证；FCC EMI控制法规和CISPR 22（國(guó)际无線(xiàn)電(diàn)干扰特别委员会（CISPR）第三版，出版物(wù)22）。我们在前面讨论的EMI标准文(wén)章中总结了这两个标准的复杂细节。

通过EMC认证过程或仅要确保您的设备在其他(tā)设备周围正常运行时，要求您将排放水平保持在标准中规定的值以下。

存在许多(duō)减轻开关電(diàn)源中EMI的PCB设计方法，我们将尝试一一介绍。

1.線(xiàn)性化

坦白地说，如果您的应用(yòng)程序能(néng)够承受（體(tǐ)积大且效率低的特性），则可(kě)以使用(yòng)線(xiàn)性電(diàn)源来為(wèi)自己节省很(hěn)多(duō)与電(diàn)源相关的EMI压力。它们不会产生明显的EMI，并且不会花(huā)费那么多(duō)的时间和金钱来开发。就其效率而言，即使它可(kě)能(néng)无法与开关電(diàn)源相提并论，您仍然可(kě)以通过使用(yòng)LDO線(xiàn)性稳压器来获得合理(lǐ)的效率水平。

2.使用(yòng)電(diàn)源模块

有(yǒu)时遵循实践来获得良好的EMI性能(néng)可(kě)能(néng)不够好。在您似乎找不到时间或其他(tā)资源来调谐并获得EMI结果的情况下，通常可(kě)行的一种方法是切换到電(diàn)源模块。

電(diàn)源模块并不是完美的，但它们做得很(hěn)好可(kě)以确保您不会陷入常见EMI陷阱的陷阱，例如不良的PCB设计布局和寄生電(diàn)感/電(diàn)容。市场上一些的電(diàn)源模块已经满足了克服EMI的需求，并被设计為(wèi)可(kě)以开发具有(yǒu)良好EMI性能(néng)的快速简便的電(diàn)源。村田制作所，Recom，Mornsun等制造商(shāng)拥有(yǒu)各种各样的开关電(diàn)源模块，这些模块已经為(wèi)我们解决了EMI和EMC问题。

例如，它们通常具有(yǒu)大多(duō)数组件，例如電(diàn)感器，它们内部连接在封装内部，因此，模块内部存在很(hěn)小(xiǎo)的环路面积，从而降低了辐射EMI。一些模块甚至可(kě)以屏蔽電(diàn)感器和开关节点，以防止線(xiàn)圈产生辐射EMI。

3.屏蔽

降低EMI的蛮力机制是用(yòng)金属屏蔽开关電(diàn)源。这是通过将噪声产生源放置在電(diàn)源中的接地导電(diàn)（金属）外壳内来实现的，与外部電(diàn)路的仅有(yǒu)接口是通过串联滤波器。

但是，屏蔽会增加项目的材料成本和PCB尺寸，因此，对于具有(yǒu)低成本目标的项目而言，这可(kě)能(néng)不是一个好主意。

4.布局优化

PCB设计布局被认為(wèi)是促进EMI在電(diàn)路中传播的主要问题之一。这就是為(wèi)什么在开关電(diàn)源中降低EMI的普遍而通用(yòng)的技术之一是布局优化。这有(yǒu)时是一个相当模糊的术语，因為(wèi)它可(kě)能(néng)意味着不同的事情，从消除寄生组件到将噪声节点与噪声敏感节点分(fēn)离，以及减小(xiǎo)電(diàn)流环路面积等。 

开关電(diàn)源设计的一些布局优化技巧包括：

保护对噪声敏感的节点免受嘈杂节点的影响

可(kě)以通过将它们放置在尽可(kě)能(néng)遠(yuǎn)的位置以防止它们之间发生電(diàn)磁耦合来实现。下表提供了一些噪声敏感和嘈杂节点的示例；

PCB上的铜走線(xiàn)充当辐射EMI的天線(xiàn)，因此，防止直接连接到噪声敏感节点的走線(xiàn)获得辐射EMI的方法之一是通过将它们所移到的组件保持尽可(kě)能(néng)短来实现。尽可(kě)能(néng)紧密地连接。例如，来自電(diàn)阻分(fēn)压器网络的長(cháng)走線(xiàn)会馈入反馈（FB）引脚，该走線(xiàn)可(kě)以充当天線(xiàn)并拾取周围的辐射EMI。反馈到反馈引脚的噪声会在系统输出端引入额外的噪声，从而使器件的性能(néng)不稳定。

减少临界（天線(xiàn)）环路面积

带有(yǒu)开关波形的走線(xiàn)/导線(xiàn)应尽可(kě)能(néng)靠近。

辐射EMI与電(diàn)流（I）的大小(xiǎo)和流过的环路面积（A）成正比，因此，通过减小(xiǎo)電(diàn)流/電(diàn)压的面积，我们可(kě)以降低辐射EMI的水平。对電(diàn)源線(xiàn)执行此操作的一种好方法是将電(diàn)源線(xiàn)和返回路径彼此重叠放置在PCB的相邻层上。

最小(xiǎo)化杂散電(diàn)感

可(kě)以通过增加 PCB上走線(xiàn)（電(diàn)源線(xiàn)）的尺寸并将其平行于其返回路径布線(xiàn)以减小(xiǎo)走線(xiàn)的電(diàn)感，来减小(xiǎo)線(xiàn)环的阻抗（这会导致辐射EMI与面积成正比）。。

接地線(xiàn)

位于PCB外表面的完整接地平面為(wèi)EMI提供了最短的返回路径，尤其是当它直接位于EMI源下方时，它可(kě)以显着抑制辐射EMI。但是，如果允许其他(tā)走線(xiàn)切穿地平面，则可(kě)能(néng)会成為(wèi)问题。切口可(kě)能(néng)会增加有(yǒu)效环路面积，并导致明显的EMI级别，因為(wèi)返回電(diàn)流必须找到一条较長(cháng)的路径来绕过切口，以返回電(diàn)流源。

筛选器

EMI滤波器对于電(diàn)源来说是必不可(kě)少的，特别是对于降低传导EMI而言。它们通常位于電(diàn)源的输入和/或输出处。在输入端，它们有(yǒu)助于滤除市電(diàn)噪声，在输出端，可(kě)以防止電(diàn)源噪声影响電(diàn)路的其余部分(fēn)。

在减轻传导EMI的EMI滤波器设计中，通常重要的是将共模传导发射与差模发射分(fēn)开对待，因為(wèi)用(yòng)于解决这些问题的滤波器参数是不同的。

对于差模传导EMI滤波，输入滤波器通常由電(diàn)解電(diàn)容器和陶瓷電(diàn)容器组成，以在较低的基本开关频率和较高的谐波频率下有(yǒu)效衰减差分(fēn)模式電(diàn)流。在需要进一步抑制的情况下，在输入端串联一个電(diàn)感，以形成一个单级LC低通滤波器。

对于共模传导EMI滤波，可(kě)通过在電(diàn)源線(xiàn)（输入和输出）与地之间连接旁路電(diàn)容器来有(yǒu)效地实现滤波。在需要进一步衰减的情况下，可(kě)将耦合扼流電(diàn)感器与電(diàn)源線(xiàn)串联添加。

通常，滤波器设计在选择组件时应考虑最坏情况。例如，高输入電(diàn)压时共模EMI最高，而低電(diàn)压和高负载電(diàn)流时差模EMI最高。

结论

在设计开关電(diàn)源时通常考虑到上述所有(yǒu)要点，这实际上是将EMI缓解称為(wèi)“黑暗技术”的原因之一，但是随着您对它的适应，它们已成為(wèi)第二自然。 。

得益于物(wù)联网和技术的不同进步，電(diàn)磁兼容性以及每台设备在正常运行条件下正常运行而不影响附近其他(tā)设备运行的总體(tǐ)能(néng)力比以往任何时候都更加重要。设备必须不易受到附近有(yǒu)意或无意来源的EMI的影响，并且同时还必须辐射（有(yǒu)意或无意）干扰水平，以免导致其他(tā)设备发生故障。

出于与成本相关的原因，在开关電(diàn)源PCB设计的早期阶段考虑EMC是很(hěn)重要的。同样重要的是要考虑将電(diàn)源连接到主设备会如何影响两个设备中的EMI动态，因為(wèi)在大多(duō)数情况下，尤其是对于嵌入式开关電(diàn)源，電(diàn)源将与设备一起作為(wèi)一个单元进行认证，并且任何失效都将通过认证。两者都可(kě)能(néng)导致失败。

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