【導(dǎo)讀】鑒于EMI可能在后期嚴(yán)重阻礙設(shè)計進度，浪費大量時間和資金，因此必須在設(shè)計之初就考慮EMI問題。開關(guān)模式電源(SMPS)是現(xiàn)代技術(shù)中普遍使用的電路之一，在大多數(shù)應(yīng)用中，該電路可提供比線性穩(wěn)壓器更大的效率。
鑒于EMI可能在后期嚴(yán)重阻礙設(shè)計進度，浪費大量時間和資金，因此必須在設(shè)計之初就考慮EMI問題。開關(guān)模式電源(SMPS)是現(xiàn)代技術(shù)中普遍使用的電路之一，在大多數(shù)應(yīng)用中，該電路可提供比線性穩(wěn)壓器更大的效率。但這種效率提高是有代價的，因為SMPS中功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的開關(guān)會產(chǎn)生大量EMI，進而影響電路可靠性。EMI主要來自不連續(xù)的輸入電流、開關(guān)節(jié)點上的快速壓擺率以及由電源環(huán)路中寄生電感引起的開關(guān)邊沿額外振鈴。
圖1以降壓轉(zhuǎn)換器拓撲為例，說明了不同頻帶下各個因素的影響。隨著設(shè)計壓力不斷提升，通過提高開關(guān)頻率來降低尺寸和成本，以及通過增大壓擺率來提高效率，使EMI問題變得更加嚴(yán)重。因此，有必要采用不影響電源設(shè)計、同時具有成本效益且易于集成的EMI緩解技術(shù)。
圖1：SMPS中的EMI源示例。
什么是EMI?
在要求電磁兼容性(EMC)的系統(tǒng)中，設(shè)計時應(yīng)降低干擾源組件的干擾性和易受干擾的組件的敏感性。當(dāng)終端設(shè)備制造商集成來自不同供應(yīng)商的組件時，確保具有干擾性的組件和易受干擾的電路能夠互不影響的唯一方法是建立一套共同的規(guī)則，其中，具有干擾性的組件的干擾性被限制在一定范圍之內(nèi)，使得易受干擾的電路能夠在此范圍內(nèi)降低影響。
這些規(guī)則是根據(jù)業(yè)界通用規(guī)范(如適用于汽車行業(yè)的國際無線電干擾特別委員會CISPR25和適用于多媒體設(shè)備的CISPR32)建立的。CISPR標(biāo)準(zhǔn)決定了任何EMI緩解技術(shù)的最終性能，因此對于EMI設(shè)計至關(guān)重要。由于SMPS是典型的電磁干擾源，因此本白皮書的重點是討論如何減少此類干擾。
除了解給定應(yīng)用的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之外，了解如何測量EMI也很重要，這將幫助您深入了解如何降低EMI。EMI測量通常分為傳導(dǎo)EMI測量和輻射EMI測量，顧名思義，這同時說明了EMI的測量方法和產(chǎn)生機理。盡管傳導(dǎo)發(fā)射通常與較低的頻率(<30MHz)相關(guān)，輻射發(fā)射通常與較高的頻率(>30MHz)相關(guān)，但這兩者之間的區(qū)別并不是那么簡單，因為傳導(dǎo)頻率范圍和輻射頻率范圍有所重疊。
傳導(dǎo)發(fā)射測量旨在量化從器件產(chǎn)生并返回到其電源的EMI。對于許多應(yīng)用而言，降低這些發(fā)射至關(guān)重要，因為同一電源線通常都連接著許多其他敏感電路。在現(xiàn)代汽車中，長線束的數(shù)量不斷增加，因此降低長線束的傳導(dǎo)EMI尤為重要。
圖2顯示了用于傳導(dǎo)發(fā)射的通用測試設(shè)置，包括電源、線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)、EMI接收器、電源線和被測器件(DUT)。LISN扮演著關(guān)鍵角色，可充當(dāng)?shù)屯V波器，確保EMI測量的可重復(fù)性和可比性，并為DUT提供精確的阻抗。圖2還說明了將傳導(dǎo)發(fā)射細分為共模(CM)電流和差模(DM)電流。DM電流在電源線與其返回路徑之間流動，是較低頻率范圍內(nèi)的主要因素。CM電流在每條電源線與接地之間流動，是較高頻率范圍內(nèi)的主要因素。
圖2：用于傳導(dǎo)發(fā)射測量的通用測試設(shè)置，其中DM和CM環(huán)路分別以青色和紅色突出顯示。
輻射EMI測量的設(shè)置與傳導(dǎo)EMI測量類似，主要區(qū)別在于前者的EMI接收器不是直接連接到LISN，而是連接到附近的天線。SMPS中的輻射能量來自產(chǎn)生磁場的快速瞬態(tài)電流環(huán)路以及產(chǎn)生電場的快速瞬態(tài)電壓表面。由于產(chǎn)生輻射磁場的電流環(huán)路也產(chǎn)生DM傳導(dǎo)發(fā)射，并且產(chǎn)生輻射電場的電壓表面也產(chǎn)生CM傳導(dǎo)發(fā)射，因此許多EMI緩解技術(shù)都可以降低傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射，但可能專門針對其中一項。
通常，通過大型無源濾波器來緩解較低頻率的發(fā)射，會增加解決方案的電路板面積和成本。高頻發(fā)射在測量、建模和緩解方面面臨著不同的挑戰(zhàn)，這主要是其寄生性質(zhì)導(dǎo)致的。常見的高頻發(fā)射緩解技術(shù)包括控制壓擺率和減小寄生效應(yīng)。圖3總結(jié)了本白皮書中包含的緩解技術(shù)、這些技術(shù)適用的頻帶以及CISPR25標(biāo)準(zhǔn)中的頻率范圍示例。
圖3：EMI緩解技術(shù)匯總。
降低EMI的常規(guī)方法
當(dāng)其他系統(tǒng)共享公共物理觸點時，由SMPS中不連續(xù)電流產(chǎn)生的輸入電壓紋波可能會傳導(dǎo)到這些系統(tǒng)中。如果沒有適當(dāng)?shù)木徑獯胧?，那么過大的輸入或輸出電壓紋波可能會影響電源、負載或相鄰系統(tǒng)的運行。過去，您可以使用基于無源電感電容器(LC)的EMI濾波器來顯著減小輸入紋波，如圖4所示。LC濾波器可提供滿足EMI規(guī)格所必需的衰減。代價是會使系統(tǒng)的尺寸和成本增大(具體取決于所需的衰減)，這將降低總功率密度。此外，用于輸入EMI濾波器設(shè)計的大型電感器會因其自諧振頻率較低而在高于30MHz的頻率范圍內(nèi)無法衰減，從而需要鐵氧體磁珠等附加組件處理高頻衰減。
圖4：典型的用于降低EMI、基于LC的無源濾波器，以及實現(xiàn)的衰減。
緩解EMI的另一種傳統(tǒng)方法是使用擴頻(或時鐘抖動)來調(diào)制SMPS的開關(guān)頻率，這將降低與基本開關(guān)頻率及其諧波相關(guān)的頻譜峰值，但代價是使本底噪聲增大，如圖5所示。
圖5：采用擴頻技術(shù)和未采用擴頻技術(shù)的SMPS頻譜示例。
擴頻是一項有吸引力的技術(shù)，因為它易于實現(xiàn)并且您可以將其與其他EMI降低方法結(jié)合使用。但該技術(shù)不是萬靈藥，因為它只能相對降低現(xiàn)有的EMI，并且根據(jù)其特性，其性能會在開關(guān)頻率較低時降低。此外，您通常只能將擴頻應(yīng)用于單個頻帶，原因?qū)⒃谙乱还?jié)中說明。
為了更大程度地減小濾波電感器的尺寸，您可以為SMPS設(shè)計選擇更高的開關(guān)頻率。不過，對于切換器操作，需避免使用敏感頻帶。例如，以前汽車電源解決方案的推薦開關(guān)頻率一直處于AM以下頻帶(約400kHz)。通過選擇較高的開關(guān)頻率來顯著減小電感器尺寸，意味著您必須避開整個AM頻帶(525kHz至1,705kHz)，從而在更嚴(yán)格的汽車EMI頻帶上不會產(chǎn)生基本的開關(guān)雜散。
德州儀器(TI)開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率高于1.8MHz，可以滿足EMI頻帶的要求。為降低開關(guān)損耗而提高開關(guān)頻率的措施對開關(guān)轉(zhuǎn)換上升和下降時間的要求更為嚴(yán)格。不過，具有很短上升和下降時間的開關(guān)節(jié)點即使在接近第100次諧波的高頻率下，也能保持較高的能量(如圖6所示)，這再次突出了高效率與低EMI之間的權(quán)衡。
圖6：具有不同上升時間的方波的EMI圖。
由于直流/直流轉(zhuǎn)換器的電源路徑中存在寄生電感，因此高壓擺率還會導(dǎo)致高頻率開關(guān)節(jié)點振鈴，這進一步增加了振鈴頻率及更高頻率下的發(fā)射。圖7顯示了壓擺率和開關(guān)節(jié)點相關(guān)振鈴如何影響發(fā)射。限制由開關(guān)轉(zhuǎn)換引起的EMI發(fā)射的傳統(tǒng)方法是，通過在開關(guān)器件的柵極驅(qū)動路徑中特意添加電阻來降低EMI發(fā)射的速度。這導(dǎo)致轉(zhuǎn)換發(fā)生得更慢，從而使發(fā)射更快地滾降，并且使發(fā)射在振鈴頻率下降低8至10dB。不過，這種開關(guān)邊沿的減慢會導(dǎo)致開關(guān)轉(zhuǎn)換器的峰值電流效率降低2%至3%。
圖7：不同的開關(guān)節(jié)點壓擺率和相關(guān)的振鈴對高頻發(fā)射的影響。更低的壓擺率會影響30MHz至200MHz頻帶的EMI滾降，而更低的振鈴會在約400MHz的振鈴頻率下影響EMI。
降低低頻發(fā)射的創(chuàng)新技術(shù)
我們來看看TI在構(gòu)建其轉(zhuǎn)換器和控制器時使用的幾種技術(shù)，這些技術(shù)可在效率、EMI、尺寸和成本之間實現(xiàn)基本平衡。
擴頻
擴頻技術(shù)利用能量守恒原理，通過將能量分散在多個頻率上來減小EMI峰值。然而，敏感電路“面臨”的峰值能量可能不會降低;它取決于敏感電路帶寬和頻率調(diào)制方式之間的關(guān)系。測量EMI時，頻譜分析器屬于敏感電路，而工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了分辨率帶寬(RBW)。因此，以更有效的方式根據(jù)實際標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制頻率非常重要。一般的經(jīng)驗是，使調(diào)制頻率fm約等于目標(biāo)RBW，擴展帶寬ΔfC約為±5%至±10%。圖8在時域和頻域中說明了這些參數(shù)。
圖8：時域和頻域中的擴頻參數(shù)fm和ΔfC。
CISPR25等標(biāo)準(zhǔn)中通常將fm設(shè)置在9kHz左右以優(yōu)化低頻頻帶，這也恰好在可聞范圍內(nèi)。為了解決該問題，您可以通過假隨機方式進一步實施三角調(diào)制，從而傳播可聞能量，同時不會對傳導(dǎo)和輻射EMI性能造成重大影響。
圖9在時域和頻域中說明了該調(diào)制曲線，這是同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器TPS55165-Q1的一個特性。
圖9：在每個調(diào)制周期結(jié)束時，通過假隨機地調(diào)制三角波來降低可聞噪聲。
EMI不限于單個頻帶(因此不限于單個RBW)，而是存在于多個頻帶中，這就帶來一個困境，因為擴頻通常只針對單個頻帶進行改善。一種稱為雙隨機擴頻(DRSS)的數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)為這個問題帶來了新的解決方案。DRSS的基本原理是疊加兩條調(diào)制曲線，每條曲線針對不同的RBW。
圖10顯示了時域中的DRSS調(diào)制曲線，其中的三角形包絡(luò)針對較低的RBW，而疊加的假隨機序列針對較高的RBW。
圖10：DRSS的時域調(diào)制曲線。
擴頻技術(shù)適用于非隔離式和隔離式拓撲，因為兩者的EMI源相似，擴頻可提供相同的優(yōu)勢。
有源EMI濾波
為了顯著改善低頻頻譜中的發(fā)射，LM25149-Q1降壓控制器采用了有源EMI濾波方法。集成有源EMI濾波器通過充當(dāng)有效的低阻抗分流器，可降低輸入端的DM傳導(dǎo)發(fā)射。圖11顯示了降壓控制器的有源EMI濾波器如何連接到輸入線。感應(yīng)和注入引腳通過各自的電容器連接到輸入端。有源EMI濾波器塊中的有源元件會放大感應(yīng)到的信號，并通過注入電容器注入適當(dāng)?shù)姆礃O性信號來顯著降低輸入線上的總體干擾。這減輕了所需無源元件的過濾負擔(dān)，從而減小了這些元件的尺寸、體積和成本。
圖11：有源EMI濾波器，其中顯示了感應(yīng)和注入電容器以及用于補償?shù)慕M件。
圖12顯示了在400kHz開關(guān)頻率下工作的降壓轉(zhuǎn)換器的EMI測量結(jié)果，其中比較了有源和無源EMI濾波方法。為了有效滿足CISPR25 5類頻譜屏蔽要求，無源EMI濾波器需要一個3.3μH DM電感器和一個10μF DM電容器。有源濾波方法通過一個僅1μH的DM電感器以及100nF的感應(yīng)和注入電容器，可實現(xiàn)同樣有效的衰減。這有助于將無源濾波器的尺寸和體積分別減小到原始值的43%和27%左右。對于大電流轉(zhuǎn)換器，可以通過降低電感器直流電阻來進一步降低成本和提高效率。
圖12：針對12V輸入、5V/5A輸出降壓轉(zhuǎn)換器使用無源和有源濾波所實現(xiàn)的EMI衰減，并比較了這兩種方法中的濾波用無源電感器。
消除繞組
與非隔離式轉(zhuǎn)換器不同，跨越隔離邊界的額外發(fā)射路徑是導(dǎo)致隔離式轉(zhuǎn)換器共模(CM)EMI的主要原因。圖13顯示標(biāo)準(zhǔn)反激式轉(zhuǎn)換器中的隔離變壓器存在寄生電容。CM電流可通過與每個開關(guān)節(jié)點關(guān)聯(lián)的寄生電容從初級側(cè)直接流入大地。CM電流還由于繞組之間的寄生電容而從初級側(cè)流至次級側(cè)，從而導(dǎo)致測量的CM EMI增大。通常，您可以通過在輸入電源路徑中使用較大的CM扼流圈來降低這種額外的干擾。
圖13：在反激式轉(zhuǎn)換器中產(chǎn)生寄生效應(yīng)的CM EMI。
為了幫助更大程度地減小無源濾波器件的尺寸，用于高功率密度5V至20V交流/直流適配器且采用硅FET的65W有源鉗位反激式參考設(shè)計針對隔離式轉(zhuǎn)換器采用了消除繞組和屏蔽的方法。如圖14所示，一種經(jīng)改進的內(nèi)部變壓器結(jié)構(gòu)在內(nèi)部初級層和次級層之間插入了一個額外的輔助繞組層（以黑色顯示），以實現(xiàn)CM平衡。輔助CM平衡層屏蔽了內(nèi)部的半初級層與次級層之間的界面，有助于生成消除CM電壓，以消除來自外部半初級層的CM注入。通過均衡從輔助繞組和初級外層到次級層的寄生電容，可幫助消除從外部半初級層注入到次級層的CM電流（通過從消除層注入反相CM電流）。凈效應(yīng)（流入次級層的CM電流幾乎為零）降低了CM發(fā)射，從而使用超少的CM濾波器件即可讓設(shè)計滿足EMI頻譜標(biāo)準(zhǔn)要求。
圖14：使用屏蔽和消除繞組來降低反激式轉(zhuǎn)換器中的EMI。
降低高頻發(fā)射的創(chuàng)新技術(shù)
到目前為止，我們介紹的EMI緩解技術(shù)通?？梢詼p低低頻發(fā)射(<30MHz)，同時相應(yīng)地減少了所需的無源濾波量，以及相關(guān)的尺寸、體積和成本?，F(xiàn)在，讓我們來看看旨在緩解高頻發(fā)射(>30MHz)的技術(shù)。
HotRod™封裝
降低高頻發(fā)射的主要方法之一是更大程度地減小電源環(huán)路電感。HotRod封裝翻轉(zhuǎn)硅片并將其直接放置在引線框上，從而更大程度地減小由運行開關(guān)電流的引腳上的鍵合線引起的寄生電感。圖15顯示了HotRod封裝的結(jié)構(gòu)和優(yōu)勢。除改善電源環(huán)路電感之外，HotRod式封裝還有助于降低電源路徑中的電阻，從而提高效率并減小解決方案尺寸。
圖15：標(biāo)準(zhǔn)QFN，帶接合線，可電氣連接至裸片(a)；HotRod封裝，引線框和裸片之間帶有銅柱和倒裝芯片互連(b)。
采用HotRod封裝器件的另一項優(yōu)勢是，這些器件易于實現(xiàn)并行輸入路徑引腳排列（直流/直流轉(zhuǎn)換器輸入電容器的布局布置）。通過優(yōu)化直流/直流轉(zhuǎn)換器的引腳排列使輸入電容器的布局對稱，輸入電源環(huán)路產(chǎn)生的反向磁場就會處于對稱環(huán)路中，從而更大程度地降低對附近系統(tǒng)的發(fā)射。并行輸入路徑可進一步降低高頻EMI，尤其是在更嚴(yán)格的FM頻帶中。
增強型HotRod™ QFN
增強型HotRod四方扁平無引線(QFN)封裝可提供HotRod封裝的所有EMI降低功能，并且具有開關(guān)
節(jié)點電容更低的額外優(yōu)勢，從而更大程度降低了振鈴。與HotRod封裝相比，在采用增強型HotRodQFN封裝的器件中，輸入電壓(VIN)和接地(GND)引腳。
集成式輸入旁路電容器
如前所述，由于更高的開關(guān)節(jié)點振鈴，較大的輸入電源環(huán)路會導(dǎo)致在高頻頻帶上產(chǎn)生更高的發(fā)射。在器件封裝內(nèi)集成高頻輸入去耦電容器有助于更大程度地降低輸入環(huán)路寄生效應(yīng)，從而降低EMI。
有效的壓擺率控制
盡管有上述技術(shù)，但在某些設(shè)計中，高頻EMI（60MHz至250MHz）可能仍會超出指定的標(biāo)準(zhǔn)限制。緩解和提高裕度以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的一種方法是，使用一個電阻器與開關(guān)轉(zhuǎn)換器的自舉電容器串聯(lián)。使用電阻器可以降低開關(guān)邊沿的壓擺率，從而降低EMI，但也會降低效率。
結(jié)束語
電子產(chǎn)品的快速發(fā)展為電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計帶來了巨大的壓力，復(fù)雜的系統(tǒng)需要裝入電源轉(zhuǎn)換器越來越小的空間。各個敏感系統(tǒng)彼此靠近，難以抑制EMI。在設(shè)計電源轉(zhuǎn)換器必須格外小心，以符合標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)規(guī)定的限制，從而確保關(guān)鍵系統(tǒng)可以在充滿噪聲的環(huán)境中安全運行。
（來源：德州儀器，作者：Yogesh Ramadass，Ambreesh Tripathi，Paul Curtis）
（來源：德州儀器，作者：Yogesh Ramadass，Ambreesh Tripathi，Paul Curtis）
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