電磁兼容(EMI)合規性測試理所當然應該在產品開發周期的最後進行。不能通過 EMI 測試是係統工程師的噩夢。這不但是產品出貨計劃的巨大障礙，而且意味著重新設計電源，代價昂貴。慶幸的是，設計符合 EMI 標準的電源方案並不是不成功便成仁的事情。精心規劃的設計應使用正確的濾波器
、低 EMI 元件、低 EMI 電源調節器 IC 以及/或者低 EMI 電源模塊，再加上良好的 PCB 布局和屏蔽技術
，這樣將能夠保證大概率一次性成功。

 

什麼是 EMI 噪聲
？為什麼必須小心謹慎

？

當電子設備連接到或靠近另一個產生 EMI 的電子設備
，或者與之共用電源時，其工作就會受到EMI 的幹擾。EMI 可以是傳導性或輻射性。EMI 問題會妨礙電子設備與相鄰的設備一起工作。我們日常生活中可能遭遇的常見 EMI 例子有：

 

•低空飛行的飛行器幹擾收音機或電視的音頻/視頻信號。 

•發射機造成當地電視台不能顯示其畫麵。最壞情況下，畫麵會全部消失，或者呈現出某種圖像模式。

•手機與通信塔握手以處理呼叫時引起的幹擾(所以航班要求乘客在飛行期間關閉手機)。

•微波爐發出的幹擾會影響附近的 WiFi 信號。

 

隨著電子設備用量的大幅增長，電磁兼容(EMC)問題已成為一項重要課題。因此
，誕生了標準化組織，以確保電子設備即使在 EMI 環huan境jing下xia也ye具ju備bei正zheng常chang性xing能neng。現xian在zai，有you了le現xian代dai化hua電dian子zi設she備bei
，幾ji乎hu能neng夠gou在zai任ren何he電dian子zi設she備bei附fu近jin正zheng常chang地di使shi用yong手shou機ji及ji其qi他ta無wu線xian設she備bei，幾ji乎hu沒mei有you影ying響xiang或huo影ying響xiang非fei常chang小xiao。為wei了le實shi現xian上shang述shu目mu的de
，需xu要yao保bao證zheng設she備bei不bu發fa射she有you害hai輻fu射she，同tong時shi也ye使shi設she備bei不bu易yi受shou射she頻pin輻fu射she的de影ying響xiang。

 

CISPR 22 (歐洲通常稱為 EN55022) EMI 規範將設備、裝置和電器分為兩類：

B 類：設計用於家庭環境且滿足 CISPR22 標準 B 類發射要求的設備、裝置和電器。

A 類：不滿足 CISPR22 標準 B 類發射要求但符合較寬鬆的 CISPR22 標準 A 類發射要求的設備
、裝置和電器。A 類設備應具有以下警告：“本產品為 A 類設備。在家庭環境中
，本產品可能會引起無線電幹擾，此時用戶可能需要采取適當的措施。”

 

EMI 測試包括兩部分：傳導和輻射。傳導發射測試在 150kHz 至 30MHz 頻率範圍進行。這是傳導至電源的交流電流，采用兩種方法進行測量：準峰值和平均值，各自具有其自身的限值。輻射發射測試在較高的 30MHz 至 1GHz 射頻範圍進行。這是來自於被測設備(DUT)的輻射磁場。測試範圍上限 1GHz 適用於內部振蕩頻率最高為 108MHz 的 DUT。該範圍上限在內部振蕩器高達 500MHz 時擴展到 2GHz
，內部振蕩器頻率高達 1GHz 時擴展到 5GHz
，內部振蕩器頻率高達 1GHz 時擴展到6GHz。

 

以下為 CISPR 22 規範的圖示：Y 軸為測試 EMI 的大小，單位為 dBuV。X 軸為測試頻率，單位為 Hz。

 

圖 1：CISPR 22 標準 B 類傳導 EMI 規範。

 

圖 2：CISPR 22 標準 A 類傳導 EMI 規範。

 

圖 3：CISPR 22 標準 B 類輻射 EMI 規範。

 

圖 4：CISPR 22 標準 A 類輻射 EMI 規範。

 

開kai關guan電dian源yuan會hui產chan生sheng電dian磁ci能neng和he噪zao聲sheng，也ye受shou外wai部bu幹gan擾rao源yuan的de電dian磁ci噪zao聲sheng影ying響xiang。開kai關guan電dian源yuan產chan生sheng的de噪zao聲sheng可ke分fen為wei傳chuan導dao和he輻fu射she兩liang類lei。傳chuan導dao發fa射she的de形xing式shi可ke以yi是shi電dian壓ya或huo電dian流liu
，其qi各ge自zi又you可ke進jin一yi步bu分fen為wei共gong模mo或huo差cha模mo。此ci外wai， 連接線的有限阻抗造成電壓傳導，進而引起電流傳導，反之亦然；差模傳導引起共模傳導，反之亦然。

 

我們接下來討論開關電源中的噪聲源。這是一個 buck 調節器原理簡圖及其工作電路波形：

 

圖 5：Buck 調節器原理簡圖及其工作波形傳導 EMI。

 

如圖 5 所示
，buck 調節器的輸入電流 II 為脈衝波形
，這是主要的傳導源
，是反灌回電源 VS 的差分EMI。傳導發射主要受轉換器輸入處快速變化波形的影響(di/dt)。傳導發射的值是在轉換器輸入處作為電壓 VS 測量的，采用線路阻抗穩定網絡(LISN)。輸入電容 CI 的功能是濾除交流(脈衝)分量。網絡電流 IS 是 II 與 ICI 之差。我們希望 IS 為直流或者盡量平滑。如果 CI 為容值無限的理想電容器
，將使 VI 保持恒定
，並有效濾除 I1 的全部交流分量，保留來自於電源 VS 的恒定(直流)電流，以及保證源阻抗 RS 上的直流壓降為恒定值。在這種情況下
，由於 IS 為直流電流
，傳導 EMI 將為零。實際應用中，我們在輸入源和轉換器之間使用 π 濾波器
，使傳導 EMI 在調節限值範圍之內。

 

傳導發射給固定係統帶來的問題通常大於便攜式係統。由於便攜式設備使用電池工作，其負載和源沒有外部連接可供傳導發射。

 

輻射 EMI 為快速變化的磁場，具有 30MHz 及以上的高頻成分。磁場是由電路的電流環路產生的。如果不能正確濾除或屏蔽這種磁場的變化
，這種變化就會耦合到其他鄰近電路和/或設備，引起輻射 EMI 效應。

 

圖 6：Buck 調節器原理簡圖及其快速 di/dt 電流環路。

 

圖 6 所示為 buck 轉換器及其快速 di/dt 電路環路 I1 和 I2。電流環路 I1 在導通期間進行傳導，S1 導通，S2 關斷；電流環路 I2 在關斷期間進行傳導，S1 關斷
，S2 導通。電流環路 I1 和 I2 的脈動性質造成磁場變化
，場強與電流幅值及傳導環路的麵積成比例。快速 di/dt 電流沿產生高頻諧波 EMI，且qie在zai規gui定ding的de輻fu射she範fan圍wei之zhi內nei。使shi此ci類lei電dian流liu環huan路lu的de麵mian積ji盡jin量liang小xiao
，將jiang能neng夠gou最zui大da程cheng度du降jiang低di場chang強qiang。放fang慢man這zhe些xie信xin號hao沿yan將jiang降jiang低di開kai關guan調tiao節jie器qi的de高gao頻pin諧xie波bo成cheng分fen
，但dan較jiao慢man的de跳tiao變bian會hui因yin為wei浪lang費fei能neng源yuan而er影ying響xiang調tiao節jie器qi效xiao率lv。我wo們men接jie下xia來lai討tao論lun能neng夠gou最zui大da程cheng度du減jian小xiao EMI 輻射且不影響效率的途徑。

 

圖 7：電流環路產生的磁場。

 

電壓節點 LX (有些廠商稱之為 SW 或其他名稱)為矩形波(暫時忽略寄生振蕩)，連接到電感。LX 的快速 dv/dt 電壓非連續信號沿通過輸出電感的寄生電容將高頻電流耦合到 CO 和負載，進而產生EMI 噪聲。最大程度降低輸出電感的寄生電容以緩解噪聲耦合問題非常重要。LX 也具有高頻寄生振蕩。使用從 LX 到 GND 的 RC 緩衝網絡有助於減小這種振蕩。

 

以上所述的 EMI 噪聲源的原理也同樣適用於其他開關轉換器結構。但噪聲嚴重程度取決於具體結構的電流和電壓波形。例如，工作在連續傳導模式的 boost 轉換器的輸入電流比 buck 轉換器的輸入電流更連續，所以其輸入處的傳導 EMI 較小。

 

采取亡羊補牢的方法修正電源係統的 EMI 問題實際上非常困難、耗費時間且代價昂貴。預先設計和規劃 EMI 合規性對於項目成功至關重要。常見的 EMI 抑製技術有電源濾波
、電源設計、正確的 PCB 布局以及屏蔽。

 

為降低來自電源轉換器的傳導發射，在輸入源和電源轉換器之間使用 π 濾波器。選擇濾波器元件的設計步驟如下：

 

確定輸入阻抗 RIN：最差情況下，buck 轉換器的閉環輸入阻抗在所有頻率下均為 RIN = RO/D2，其中 RO為輸出負載，D 為工作占空比。轉換器工作在最小輸入電壓時
，輸入阻抗最小。

例：以 Maxim 的喜馬拉雅 SiP 電源模塊 MAXM17575 為例，器件采用 4.5-60Vin、0.9-12Vout，提供最大 1.5A 電流。以 MAXM17575 評估板為例，最小輸入電壓為 7.5V。輸出負載為 RO = Vo/Io = 5V/1.5A =3.3Ω。最大工作占空比為 D = VO/VINmin = 5V/7.5V = 0.66。所以，最低可能輸入阻抗為 RIN = RO/D2 = 3.3 Ω/0.662 = 7.6Ω。

 

按照輸出阻抗比 RIN 小 10db 或更小來設計 EMI 濾波器：增加輸入濾波器會影響 DC-DC zhuanhuanqidexingneng。weizuidachengdujianxiaozhezhongyingxiang，zaizuigaodazhuanhuanqichuanyuepinlvdesuoyoupinlvxia，lvboqideshuchuzukangbixuxiaoyudianyuanzhuanhuanqideshuruzukang。
 

圖 8. 傳導 EMI 輸入濾波器，插入在輸入和電源模塊之間。

 

LC 濾波器在諧振頻率下的輸出阻抗(最高值)為：

 

 

我們在設計中考慮濾波器的有效阻抗比 buck 轉換器的輸入阻抗小 10dB
，大約等於輸入阻抗的三分之一。在 MAXM17575 的例子中，要求 Zo < RIN/3 = 7.6/3 = 2.5Ω，適用於 MAXM17575 電路穿越頻率 (45kHz)以下的所有頻率。

 

PCB 布局對 EMI 合規性至關重要。糟糕的 PCB 布局會徹底破壞設計完美的電源轉換器。以下為好的 PCB 布局實踐，利用上例中相同的 buck 轉換器最大程度減小 EMI 噪聲源：

 

最大程度減小高 di/dt 電流環路：將 LO、CO 和 S2 正確布置在一起
，最大程度減小 I2 電流環路。然後，使這一組元件靠近 S1 和 C1，最大程度減小 I1 電流環路。使用 buck 調節器 IC(即集成功率開關 S1 和 S2 的 buck 控製器)時
，選擇具有好的引腳排列從而支持這種最小化的 IC 非常重要。相同道理也適用於使用電源模塊的情況。
 

圖 9：Buck 轉換器的高 di/dt 電流環路。

 

使用法拉第屏蔽：以英國科學家邁克爾•法拉第的名字命名的法拉第屏蔽(或法拉第籠)是用於阻隔電磁場的一種外殼。電源係統中實施法拉第屏蔽的方法通常有兩種：

a.由導電材料(例如銅)zhichengdelongzi，jiangzhenggedianyuanxitonghuoshebeilongzhaoqilai。diancichangweichizailongzineibu。youyulongzidecailiaochengbenhefujiazhuangpeilaoli，zhezhongfangfayibanchengbenjiaogao。

 

b.PCB 的頂層和底層布局帶有屏蔽接地區域
，利用一個過孔將其連接起來，以模擬法拉第籠。所有高 di/dt 環路布置在 PCB 的內層
，所以法拉第籠就能夠屏蔽電磁場
， 防止向外輻射。該方法成本較低
，通常足以抑製 EMI。圖 10 為該技術的示意圖。

 

圖 10：多層 PCB 板的法拉第屏蔽。

 

實施這些 PCB 布局的最佳實踐提供了 EMI 合規性的合理途徑
，不會因為需要減慢開關信號沿而犧牲電源轉換器效率。

 

現在，我們以 Maxim 的喜馬拉雅 MAX17502 寬輸入範圍 IC 為例，器件工作在 4.5-60Vin
、0.9- 54Vout，提供 1A 負載電流。以下為 MAX17502 EMI 評估板 PCB 的布局，采用了法拉第屏蔽技術 (b)。圖 11a 所示為頂層和底層
，用作法拉第屏蔽
；圖 11b 所示為內部第二層和第三層，用於布線。這裏的第二層用作額外屏蔽，也可用於布線。該布局中，高 di/dt 電流環路 I1 和 I2 布置在第三層
， 被完整籠罩在法拉第屏蔽中。

 

圖 11a：用作法拉第屏蔽的頂層和底層。

 

圖 11b：第二和第三(內)層，高 di/dt 環路布置在第三層。

 

以下為 MAX17502 EMI 評估板的 EMI 測試結果，以非常好的裕量通過了 CISPR 22 標準 B 類要求。

 

圖 12：MAX17502 EMI 評估板傳導 EMI 測試結果。左：準峰值；右：平均值。

 

圖 13：MAX17502 EMI 評估板輻射 EMI 測試結果。

 

輸出電感的磁場也會產生輻射
，引起 EMI 問題。使用低 EMI 電感可降低輻射的 EMI。建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)屏(ping)蔽(bi)電(dian)感(gan)。這(zhe)種(zhong)電(dian)感(gan)具(ju)有(you)磁(ci)場(chang)屏(ping)蔽(bi)

，被(bei)約(yue)束(shu)在(zai)電(dian)感(gan)結(jie)構(gou)內(nei)部(bu)。避(bi)免(mian)使(shi)用(yong)磁(ci)能(neng)自(zi)由(you)輻(fu)射(she)的(de)電(dian)感(gan)類(lei)型(xing)。采(cai)用(yong)屏(ping)蔽(bi)電(dian)感(gan)以(yi)及(ji)實(shi)施(shi)良(liang)好(hao) PCB 布局實踐的電源模塊將呈現良好的 EMI 性能。

Maxim 的喜馬拉雅穩壓器和電源模塊家族采用低 EMI 功率電感和良好的 PCB 布局實踐
，提供固有低 EMI 電源方案。使用喜馬拉雅方案意味著您無需擔心合規性，與市場上的其他單純開關形成鮮明對比。Maxim 的 IC
、模塊以及示例參考布局已經完成了全部工作，您能夠以最優成本通過CISPR 22 (EN 55022)標準要求。以下為 MAXM17575 例子的 EMI 測試結果以及輸入 EMI 濾波器信息：
 

 
 

圖14：用於傳導 EMI 試驗的 MAXM17575 評估板 EMI 濾波器配置。

 

 

圖 15：MAXM17575 評估板傳導 EMI 測試結果。藍色：準峰值；綠色：平均值

 

 

圖 16：用於輻射 EMI 試驗的 MAXM17575 評估板 EMI 濾波器配置。

 

MAXM17575 本質上具有極低的輻射 EMI。對於輻射測試
，傳導 EMI 測試中所示的輸入濾波器不需要也沒有使用。使用輸入濾波器能夠為輻射測試提供更大的裕量。

 

 

圖 17：MAXM17575 評估板輻射 EMI 測試結果。

 

提前規劃係統的 EMI 合規性對於項目成功至關重要。本文討論了最大程度降低 EMI 的常見技術
， 還提供關於電源濾波設計、良好 PCB 布局、屏蔽實踐的指南以及實踐示例。精心規劃的設計應使用正確的濾波器、低 EMI PMIC/元件以及/或者低 EMI 電源模塊，再加上良好的 PCB 布局和屏蔽技術，這樣將能夠保證大概率一次性成功。