降低开关电源EMI的PCB设计方法

2020-03-30

开关模式电源是AC-DC或DC-DC电源的通用术语，这些电源使用具有快速开关动作的电路进行电压转换/转换（降压或升压）。随着每天开发出更多的设备（潜在的EMI受害者），克服EMI成为工程师面临的主要挑战，并且实现电磁兼容性（EMC）与使设备正常运行同等重要。如何降低开关电源EMI辐射问题，下面介绍这些能降低EMI的PCB设计。

开关电源中的EMI来源

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

开关电源电源中EMI的主要来源可以追溯到其固有的PCB设计性质和开关特性。在从AC-DC或DC-DC转换的过程中，开关电源中的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），傅立叶级数可将其描述为许多具有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，从电源传输到设备中的其他电路，以及附近容易受到这些频率影响的电子设备。

除了开关噪声之外，开关电源的另一个EMI来源是快速电流（dI / dt）和电压（dV / dt）转换（这也与开关有关）。根据麦克斯韦方程，这种交流电和电压会产生交变电磁场，尽管该场的大小会随着距离的增加而减小，但它会与导电部件（如PCB上的铜走线）相互作用，它们就像天线一样，在线路上产生额外的噪声，导致EMI。

现在，直到源极的EMI耦合到相邻的电路或设备（受害者）之前，它的危险性（有时）才变得如此危险，因此，通过消除/最小化潜在的耦合路径，通常可以降低EMI。正如“ EMI简介 ”一文中讨论的那样，EMI耦合通常通过以下方式发生：传导（通过不需要的/改变用途的路径或所谓的“隐身电路”），感应（通过电感性或电容性元件（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电源中的EMI，PCB设计人员可以以使耦合路径的影响最小化和减少干扰传播的方式创建他们的系统。

不同类型的EMI耦合机制

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

开关电源中的辐射EMI：

当源和受体（受害人）充当无线电天线时，就会发生辐射耦合。源辐射电磁波，该电磁波在源与受害者之间的开放空间中传播。在开关电源中，辐射EMI传播通常与具有高di / dt的开关电流相关，这是由于不良的PCB设计布局以及存在会引起漏感的布线习惯而导致存在具有快速电流上升时间的环路而加剧的。

考虑下面的电路；

电路中快速的电流变化除了正常的电压输出（Vmeas）外，还会产生一个噪声电压（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电流回路面积的PCB布局中，往往会出现较高水平的辐射EMI。

开关电源中的传导EMI：

当EMI辐射沿着将EMI源和接收器连接在一起的导体（电线，电缆，外壳和PCB上的铜走线）通过时，就会发生传导耦合。以这种方式耦合的EMI在电源线上很常见，并且在H场组件上通常很重。

开关电源中的传导耦合是共模传导（在+ ve和GND线上出现同相干扰）或差分模式（在两个导体上出现异相）。

共模传导发射通常是由寄生电容（如散热器和变压器的寄生电容）以及电路板布局以及开关两端的开关电压波形引起的。

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电流脉冲并产生开关尖峰，从而导致差分噪声的存在。

开关电源中的感应EMI：

感应耦合时，有一个电（由于电容耦合）或磁（由于电感耦合）的源极与受害者之间EMI感应发生。当两个相邻导体之间存在变化的电场时，会发生电耦合或电容耦合，从而在它们之间的间隙上引起电压变化；而当两个平行导体之间存在变化的磁场时，会发生磁耦合或电感耦合。沿接收导体的电压。

综上所述，虽然开关电源中主要的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，但使能器有利于将产生的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设计布局以及电流路径中存在杂散电感/电容引起的因素。

降低开关电源中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。尽管地区之间的标准有所不同，但是由于协调一致，最普遍接受的两个标准在大多数地区都可以接受认证；FCC EMI控制法规和CISPR 22（国际无线电干扰特别委员会（CISPR）第三版，出版物22）。我们在前面讨论的EMI标准文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。

存在许多减轻开关电源中EMI的PCB设计方法，我们将尝试一一介绍。

1.线性化

坦白地说，如果您的应用程序能够承受（体积大且效率低的特性），则可以使用线性电源来为自己节省很多与电源相关的EMI压力。它们不会产生明显的EMI，并且不会花费那么多的时间和金钱来开发。就其效率而言，即使它可能无法与开关电源相提并论，您仍然可以通过使用LDO线性稳压器来获得合理的效率水平。

2.使用电源模块

有时遵循实践来获得良好的EMI性能可能不够好。在您似乎找不到时间或其他资源来调谐并获得EMI结果的情况下，通常可行的一种方法是切换到电源模块。

电源模块并不是完美的，但它们做得很好可以确保您不会陷入常见EMI陷阱的陷阱，例如不良的PCB设计布局和寄生电感/电容。市场上一些的电源模块已经满足了克服EMI的需求，并被设计为可以开发具有良好EMI性能的快速简便的电源。村田制作所，Recom，Mornsun等制造商拥有各种各样的开关电源模块，这些模块已经为我们解决了EMI和EMC问题。

例如，它们通常具有大多数组件，例如电感器，它们内部连接在封装内部，因此，模块内部存在很小的环路面积，从而降低了辐射EMI。一些模块甚至可以屏蔽电感器和开关节点，以防止线圈产生辐射EMI。

3.屏蔽

降低EMI的蛮力机制是用金属屏蔽开关电源。这是通过将噪声产生源放置在电源中的接地导电（金属）外壳内来实现的，与外部电路的仅有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，对于具有低成本目标的项目而言，这可能不是一个好主意。

4.布局优化

PCB设计布局被认为是促进EMI在电路中传播的主要问题之一。这就是为什么在开关电源中降低EMI的普遍而通用的技术之一是布局优化。这有时是一个相当模糊的术语，因为它可能意味着不同的事情，从消除寄生组件到将噪声节点与噪声敏感节点分离，以及减小电流环路面积等。 

开关电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

可以通过将它们放置在尽可能远的位置以防止它们之间发生电磁耦合来实现。下表提供了一些噪声敏感和嘈杂节点的示例；

PCB上的铜走线充当辐射EMI的天线，因此，防止直接连接到噪声敏感节点的走线获得辐射EMI的方法之一是通过将它们所移到的组件保持尽可能短来实现。尽可能紧密地连接。例如，来自电阻分压器网络的长走线会馈入反馈（FB）引脚，该走线可以充当天线并拾取周围的辐射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，从而使器件的性能不稳定。

减少临界（天线）环路面积

带有开关波形的走线/导线应尽可能靠近。

辐射EMI与电流（I）的大小和流过的环路面积（A）成正比，因此，通过减小电流/电压的面积，我们可以降低辐射EMI的水平。对电源线执行此操作的一种好方法是将电源线和返回路径彼此重叠放置在PCB的相邻层上。

最小化杂散电感

可以通过增加 PCB上走线（电源线）的尺寸并将其平行于其返回路径布线以减小走线的电感，来减小线环的阻抗（这会导致辐射EMI与面积成正比）。。

接地线

位于PCB外表面的完整接地平面为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，它可以显着抑制辐射EMI。但是，如果允许其他走线切穿地平面，则可能会成为问题。切口可能会增加有效环路面积，并导致明显的EMI级别，因为返回电流必须找到一条较长的路径来绕过切口，以返回电流源。

筛选器

EMI滤波器对于电源来说是必不可少的，特别是对于降低传导EMI而言。它们通常位于电源的输入和/或输出处。在输入端，它们有助于滤除市电噪声，在输出端，可以防止电源噪声影响电路的其余部分。

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开对待，因为用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，输入滤波器通常由电解电容器和陶瓷电容器组成，以在较低的基本开关频率和较高的谐波频率下有效衰减差分模式电流。在需要进一步抑制的情况下，在输入端串联一个电感，以形成一个单级LC低通滤波器。

对于共模传导EMI滤波，可通过在电源线（输入和输出）与地之间连接旁路电容器来有效地实现滤波。在需要进一步衰减的情况下，可将耦合扼流电感器与电源线串联添加。

通常，滤波器设计在选择组件时应考虑最坏情况。例如，高输入电压时共模EMI最高，而低电压和高负载电流时差模EMI最高。

结论

在设计开关电源时通常考虑到上述所有要点，这实际上是将EMI缓解称为“黑暗技术”的原因之一，但是随着您对它的适应，它们已成为第二自然。 。

得益于物联网和技术的不同进步，电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设备运行的总体能力比以往任何时候都更加重要。设备必须不易受到附近有意或无意来源的EMI的影响，并且同时还必须辐射（有意或无意）干扰水平，以免导致其他设备发生故障。

出于与成本相关的原因，在开关电源PCB设计的早期阶段考虑EMC是很重要的。同样重要的是要考虑将电源连接到主设备会如何影响两个设备中的EMI动态，因为在大多数情况下，尤其是对于嵌入式开关电源，电源将与设备一起作为一个单元进行认证，并且任何失效都将通过认证。两者都可能导致失败。

上海韬放电子提供专业的电路设计服务，如果您有这方面的需求，请与我们联系。