【導(dǎo)讀】工業(yè)、汽車與個(gè)人計(jì)算應(yīng)用中的電子系統(tǒng)愈發(fā)密集且互相連接。為了改善這類系統(tǒng)的尺寸和功能，因此在封裝各種不同電路時(shí)皆采取近封裝距離。有鑒于前述限制，降低電磁干擾(EMI)影響也逐漸成為重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮。
圖1所示的車用攝影機(jī)模塊就是這類多功能系統(tǒng)其中一個(gè)范例，該模塊內(nèi)的兩百萬(wàn)像素成像組件、4Gbps的串聯(lián)器及四通道電源管理IC(PMIC)皆以近距離封裝在一起。如此會(huì)使復(fù)雜度和密度隨之提升并帶來(lái)副作用，也就是使成像組件與信號(hào)處理組件緊鄰PMIC，而PMIC帶有高電流與電壓。除非在設(shè)計(jì)期間能夠小心留意，否則前述的配置方式勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致一系列電路對(duì)敏感組件的功能造成EMI。
圖1：車用攝影機(jī)模塊。
EMI可能會(huì)以兩種方式顯現(xiàn)。例如連接相同電源供應(yīng)器的無(wú)線電和電機(jī)鉆就是一例，如圖2所示。在本例中，敏感無(wú)線電系統(tǒng)的運(yùn)作會(huì)透過(guò)傳導(dǎo)方式受到電機(jī)影響，因?yàn)檫@兩者共享相同的電源插座。電機(jī)也會(huì)透過(guò)電磁輻射對(duì)無(wú)線電的功能造成影響，因?yàn)榍笆鲭姶泡椛鋾?huì)透過(guò)空氣耦合，并受到無(wú)線電天線接收。
終端設(shè)備制造商整合不同來(lái)源的組件時(shí)，唯一能確保干擾電路和敏感電路可和平共存并正確運(yùn)作的方法，就是建立一套共享規(guī)則，針對(duì)干擾電路設(shè)定干擾程度的限制，且敏感電路必須能夠處理該程度的干擾。
圖2：透過(guò)傳導(dǎo)和電磁方式造成的EMI。
共享EMI標(biāo)準(zhǔn)
用于限制干擾的規(guī)定采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格建立，例如適用汽車產(chǎn)業(yè)的國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR) 25，以及適用多媒體設(shè)備的CISPR 32。CISPR標(biāo)準(zhǔn)是EMI設(shè)計(jì)的重要關(guān)鍵，因其可決定任何EMI降低技術(shù)的目標(biāo)性能。CISPR標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)干擾模式分類為傳導(dǎo)式限制和輻射式限制，如圖3所示。圖3圖表中的長(zhǎng)條代表最大的傳導(dǎo)式和輻射式排放限制，這是使用標(biāo)準(zhǔn)EMI測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量時(shí)，受測(cè)設(shè)備所能容許的上限。
圖3：傳導(dǎo)式和輻射式EMI的一般標(biāo)準(zhǔn)。
EMI的成因
若要建立兼容于EMI標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，需要清楚了解EMI的主要成因。現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的電路之一就是硬式切換電源供應(yīng)器(SMPS)，可在多數(shù)應(yīng)用中透過(guò)線性穩(wěn)壓器大幅提升效率。但這樣的效率必須付出代價(jià)，因在SMPS中切換功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，會(huì)使其成為主要EMI來(lái)源。
如圖4所示，在SMPS中進(jìn)行切換的本質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生非連續(xù)輸入電流、在切換節(jié)點(diǎn)的高邊緣速率，以及電源回路中因寄生電感而在切換邊緣產(chǎn)生的其他振鈴。非連續(xù)電流會(huì)影響< 30MHz頻段的EMI，而在切換節(jié)點(diǎn)的高邊緣速率以及振鈴則會(huì)影響30~100MHz頻段的EMI，以及> 100MHz頻段的EMI。
圖4：SMPS運(yùn)作期間的主要EMI來(lái)源。
降低EMI的傳統(tǒng)和進(jìn)階技術(shù)
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要使用兩種方法降低切換轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的EMI，而兩種方法都會(huì)造成相關(guān)的損失。為了處理低頻率(< 30MHz)排放并符合適用標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)在切換轉(zhuǎn)換器的輸入處放置大型被動(dòng)濾波器，造成解決方案更為昂貴、功率密度更低。
而一般降低高頻率排放的方式，則是透過(guò)有效的柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)來(lái)降低切換邊緣速率。雖然這么做有助降低> 30MHz頻段的EMI，但是降低的邊緣速率會(huì)導(dǎo)致切換損失增加，進(jìn)而使解決方案的效率降低。換句話說(shuō)，為了實(shí)現(xiàn)低EMI的解決方案，注定需在功率密度和效率上做出取舍。
為了免除取舍的需要并且一并獲得高功率密度、高效率，以及低EMI的優(yōu)勢(shì)，TI在設(shè)計(jì)LM25149-Q1、LM5156-Q1和LM62440-Q1等切換轉(zhuǎn)換器和控制器時(shí)，加入了多種技術(shù)，如圖5所示。前述技術(shù)包含展頻、主動(dòng)EMI濾波、抵銷線圈、封裝創(chuàng)新、整合式輸入旁路電容及真實(shí)電壓轉(zhuǎn)換率控制方法等，且這些技術(shù)都經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)，針對(duì)所需的特定頻段量身打造。
圖5：TI的功率轉(zhuǎn)換器和控制器為了大幅降低EMI而采用的技術(shù)。
結(jié)論
設(shè)計(jì)低EMI可顯著縮短開(kāi)發(fā)周期時(shí)間，并可減少機(jī)板面積和解決方案成本。TI提供多種可降低EMI的功能與技術(shù)。以TI經(jīng)過(guò)EMI優(yōu)化的電源管理產(chǎn)品來(lái)運(yùn)用不同技術(shù)組合，可確保使用TI組件的設(shè)計(jì)通過(guò)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)而無(wú)需過(guò)多重做。
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