开关电源中的EMI噪声源

开关电源会产生电磁能和噪声，也受外部干扰源的电磁噪声影响。开关电源产生的噪声可分为传导和辐射两类。传导发射的形式可以是电压或电流，其各自又可进一步分为共模或差模。此外，连接线的有限阻抗造成电压传导，进而引起电流传导，反之亦然；差模传导引起共模传导，反之亦然。

我们接下来讨论开关电源中的噪声源。这是一个Buck调节器原理简图及其工作电路波形：

传导EMI

如图1所示，Buck调节器的输入电流Ii为脉冲波形，这是主要的传导源，是反灌回到电源Vs的差分EMI。传导发射主要受转换器输入处于快速变化波形的影响(di/dt)。传导发射的值是在转换器输入处作为电压Vs测量的，采用线路阻抗稳定网络(LISN)。输入电容Ci的功能是滤除交流(脉冲)分量。网络电流Is是Ii与ICi之差。我们希望Is为直流或者尽量平滑。如果Ci为容值无限的理想电容器，将使Vi 保持恒定，并有效滤除Ii的全部交流分量，保留来自于电源Vs的恒定(直流)电流，以及保证源阻抗Rs上的直流压降为恒定值。在这种情况下，由于Is为直流电流，传导EMI将为零。实际应用中，我们在输入源和转换器之间使用π滤波器，使传导EMI在调节限值范围之内。

传导发射给固定系统带来的问题通常大于便携式系统,，由于便携式设备使用电池工作，其负载和电源没有外部连接可供传导发射。

辐射EMI

辐射EMI为快速变化的磁场，具有30MHz及以上的高频成分。磁场是由电路的电流环路产生的。如果不能正确滤除或屏蔽这种磁场的变化，这种变化就会耦合到其他邻近电路和/或设备，引起辐射EMI效应。

图2所示为Buck转换器及其快速di/dt电路环路I1 和I2。电流环路I1在导通期间进行传导，S1导通，S2关断；电流环路I2在关断期间进行传导，S1关断，S2导通。电流环路I1和I2的脉动性质造成磁场变化，场强与电流幅值及传导环路的面积成比例。快速di/dt电流源产生高频谐波EMI，且在规定的辐射范围之内。使此类电流环路的面积尽量小，将能够最大程度降低场强。放慢这些信号源，将降低开关调节器的高频谐波成分，但较慢的跳变会因为浪费能源而影响调节器效率。我们接下来讨论能够最大程度减小EMI辐射且不影响效率的途径。

电压节点LX (有些厂商称之为SW或其他名称)，为矩形波(暂时忽略寄生振荡)，连接到电感。LX的快速dv/dt电压非连续信号源通过输出电感的寄生电容将高频电流耦合到CO和负载，进而产生EMI噪声。最大程度降低输出电感的寄生电容以缓解噪声耦合问题非常重要。LX也具有高频寄生振荡。使用从LX到GND的RC缓冲网络有助于减小这种振荡。

以上所述的EMI噪声源的原理也同样适用于其他开关转换器结构。但噪声严重程度取决于具体结构的电流和电压波形。例如，工作在连续传导模式的Boost转换器的输入电流比Buck转换器的输入电流更连续，所以其输入处的传导EMI较小。

采取亡羊补牢的方法修正电源系统的EMI问题实际上非常困难、耗费时间且代价昂贵。预先设计和规划EMI合规性对于项目成功至关重要。常见的EMI抑制技术有电源滤波、电源设计、正确的PCB布局以及屏蔽。

EMI电源滤波设计

为降低来自电源转换器的传导发射，在输入源和电源转换器之间使用π 滤波器。选择滤波器元件的设计步骤如下：

1.确定输入阻抗RIN：最差情况下，Buck转换器的闭环输入阻抗在所有频率下均为RIN=RO/D2，其中RO为输出负载，D为工作占空比。转换器工作在最小输入电压时，输入阻抗最小。

例：以电源模块为例，4.5-60Vin、0.9-12Vout，提供最大1.5A电流；最小输入电  压为7.5V，输出负载为Ro= Vo/Io = 5V/1.5A =3.3Ω, 最大工作占空比为        D=Vo/VINmin=5V/7.5V=0.66。所以，最低可能输入阻抗为                RIN=Ro/D=3.3Ω/0.66=5Ω。                        

2.按照输出阻抗比RIN小10db或更小来设计EMI滤波器： 增加输入滤波器会影响DC-DC转换器的性能。 为最大程度减小这种影响，滤波器的输出阻抗必须小于电源转换器的输入阻抗。

我们在设计中考虑滤波器的有效阻抗比Buck转换器的输入阻抗小10dB，大约等于输入阻抗的三分之一。在例子中，要求Zo<RIN/3 =5/3=1.7Ω。

PCB 布局最佳实践

PCB布局对EMI合规性至关重要。糟糕的PCB布局会彻底破坏设计完美的电源转换器。以下为好的PCB布局实践，利用上例中相同的 Buck转换器最大程度减小EMI噪声源：

使用法拉第屏蔽：以英国科学家迈克尔·法拉第的名字命名的法拉第屏蔽(或法拉第笼)是用于阻隔电磁场的一种外壳。电源系统中实施法拉第屏蔽的方法通常有两种：

a. 由导电材料(例如铜)制成的笼子，将整个电源系统或设备笼罩起来。电磁场维持在笼子内部。由于笼子的材料成本和附加装配劳力，这种方法一般成本较高。

b. PCB的顶层和底层布局带有屏蔽接地区域，利用一个过孔将其连接起来，以模拟法拉第笼。所有高di/dt环路布置在PCB的内层，所以法拉第笼就能够屏蔽电磁场, 防止向外辐射。该方法成本较低，通常足以抑制EMI。图6为该技术的示意图。

其他，改变MOSFET的驱动电阻大小，改变电压节点LX (有些厂商称之为SW或其他名称) dv/dt的快慢，进而改善EMI。

ASDsemi（安森德），Buck转换器，型号：ASP6035ABE1-R，设计PCB图：

低EMI功率元件

输出电感的磁场也会产生辐射，引起EMI问题。使用低EMI电感可降低辐射的EMI。建议使用屏蔽电感。这种电感具有磁场屏蔽，被约束在电感结构内部。避免使用磁能自由辐射的电感类型。采用屏蔽电感以及实施良好PCB布局实践的电源模块将呈现良好的EMI性能。

总结

提前规划系统的EMI合规性对于项目成功至关重要。本文讨论了最大程度降低EMI的常见技术，还提供关于电源滤波设计、良好PCB布局、屏蔽实践等介绍。精心规划的设计应用使用正确的滤波器、低EMI元件以及MOSFET驱动电阻以及电压节电的RC吸收网络，再加上良好的PCB布局和屏蔽技术，这样将能够保证大概率一次性成功。

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