解讀電源模塊簡化低EMI設(shè)計(jì)方案

首先要明白什么是EMI；EMI就是電磁干擾，電磁干擾分為傳導(dǎo)電磁干擾（Conducted EMI）和輻射電磁干擾（Radiated EMI）。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的時(shí)候，必須考慮EMI。


在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，您可能聽說過電磁干擾（EMI）越來越多的應(yīng)用必須通過EMI標(biāo)準(zhǔn)，制造商才獲得商業(yè)轉(zhuǎn)售批準(zhǔn)。開關(guān)電源意味著器件內(nèi)部有電子開關(guān)，EMI可通過它產(chǎn)生輻射。
　　本文將介紹開關(guān)電源中EMI的以及降低EMI的方法或技術(shù)。本文還將向您展示電源模塊（控制器、高側(cè)和低側(cè)FET及電感器封裝為一體）如何幫助降低EMI。
　　開關(guān)電源中EMI的
　　首先，必須尊重物理定律。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電可產(chǎn)生電磁場(chǎng)。每個(gè)電導(dǎo)體中均會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，其自身帶有一些可以形成振蕩電路的電容和電感。該振蕩電路以特定頻率（f=1/(2*π*sqrt(LC))）將電磁能輻射到空間中。該電路充當(dāng)電磁能的發(fā)射器，但也可以接收電磁能并充當(dāng)接收器。天線設(shè)計(jì)是為了最大化傳輸或接收能量。
　　但并非每個(gè)應(yīng)用都應(yīng)該像天線一樣，而且這種設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，開關(guān)降壓電源設(shè)計(jì)用于將較高的電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓，但它們同時(shí)也充當(dāng)了（有害的）電磁波發(fā)射器，可能干擾其他應(yīng)用，例如干擾AM頻段。這種效應(yīng)稱為EMI。
　　為了確保功能正常運(yùn)行，最大限度地減少EMI源非常重要。國際無線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）定義了各種標(biāo)準(zhǔn)，如作為汽車電氣應(yīng)用基準(zhǔn)的CISPR 25，以及針對(duì)信息技術(shù)設(shè)備的CISPR 22。
　　如何降低電源設(shè)計(jì)的EMI輻射呢？一種方法是用金屬完全屏蔽開關(guān)電源。但在大多數(shù)應(yīng)用中，由于成本和空間的原因，這種方法無法實(shí)現(xiàn)。一種更好的方法是減少和優(yōu)化EMI源。許多文獻(xiàn)已經(jīng)詳細(xì)討論了這一專題；本文推薦了兩種方式。
　　讓我們回顧一下開關(guān)電源中EMI的主要，以及為什么電源模塊可以幫助您輕松降低EMI。
　　減小布局中的電流環(huán)路
　　顧名思義，開關(guān)電源是用來進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。它們的作用是以幾百千赫到幾兆赫的頻率打開和關(guān)閉輸入電壓。這就導(dǎo)致了快速電流轉(zhuǎn)換（dI/dt）和快速電壓轉(zhuǎn)換（dV/dt）。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電流和電壓產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。這些電磁場(chǎng)從其原點(diǎn)徑向擴(kuò)散，它們的強(qiáng)度隨距離而降低。

　　圖1.來自開關(guān)電源的EMI會(huì)對(duì)負(fù)載和主電源產(chǎn)生影響。

　　圖2.在輸入端、開關(guān)和輸入電容器之間形成臨界電流環(huán)路。

　　圖3.減小環(huán)路區(qū)域有助于降低EMI
　　磁場(chǎng)和電場(chǎng)會(huì)干擾應(yīng)用的導(dǎo)電部件（例如，印刷電路板[PCB]上的銅跡線，就像天線一樣）并在線路上產(chǎn)生額外的噪聲，這樣又會(huì)導(dǎo)致發(fā)生EMI（見圖1）。實(shí)際上幾瓦功率的轉(zhuǎn)換就會(huì)擴(kuò)大EMI的輻射范圍。

　　圖4.引腳排列有助于減小環(huán)路面積。左圖：優(yōu)化的引腳排列；右圖：非優(yōu)化布局，幾乎無法形成良好的布局。
　　輻射的電磁能與其流過的電流量（I）和環(huán)路面積（A）成正比。減小交流電流和電壓環(huán)路的面積有助于降低EMI（見圖2和圖3）。
　　著眼于引腳排列（見圖4）可以幫助您通過減小高dI/dt環(huán)路面積來更好地設(shè)計(jì)良好布局。例如，開關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠引發(fā)高電流變化（dI）和高電壓轉(zhuǎn)換（dV）。良好的引腳排列可以分離噪聲敏感引腳和噪聲引腳。開關(guān)節(jié)點(diǎn)和啟動(dòng)引腳應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離噪聲敏感型反饋引腳。此外，輸入引腳和接地引腳應(yīng)相鄰。這樣便簡化了PCB上的布線和輸入電容器的放置。
　　圖5顯示了LMR23630SIMPLE SWITCHER?轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)評(píng)估模塊（EVM）。兩個(gè)輸入電容器距離輸入引腳約2.5厘米。之所以如此排列，是為了模擬不良布局，因?yàn)殡娏鳝h(huán)路區(qū)域（圖5中的紅色矩形）比數(shù)據(jù)表所要求和建議的要大。圖5中的橢圓形紅色形狀表示轉(zhuǎn)換器和電感器之間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。IC和電感器之間的環(huán)路面積越小越好。

　　圖5.輸入引腳和輸入電容器之間環(huán)路面積（紅色矩形）較大的錯(cuò)誤布局示例。在IC和電感器之間形成第二個(gè)環(huán)路區(qū)域（橢圓形紅色形狀）。
　　圖6中的曲線圖顯示了LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射，其中只有VIN、GND和輸入電容器之間形成的環(huán)路面積不同。良好的布局中電容器盡可能靠近輸入引腳和接地引腳（環(huán)路面積盡可能地小）。而不良的布局中輸入電容器距離輸入引腳2.5厘米，從而形成一個(gè)較大的環(huán)路面積。

　　圖6.LMR23630轉(zhuǎn)換器輸入電容布局對(duì)EMI輻射的影響。
　　圖6中曲線圖的紅線表示不良布局的EMI輻射。藍(lán)線表示采用相同EVM的良好布局的EMI輻射。修改一個(gè)環(huán)路面積會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。LMR23630轉(zhuǎn)換器的EMI輻射水平可降低20 dBμV/m以上。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持