眾所周知，開關電源是將功率半導體器件作為開關元件并通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比來調整輸出電壓。

但由于開關電源瞬態(tài)響應較差，易產生電磁干擾(EMI)信號，而這些EMI信號經過傳導和輻射，不僅會污染電磁環(huán)境，還會對通信設備和電子儀器造成干擾。更重要的是，隨著開關電源的體積越來越小、功率密度越來越大，EMI控制問題愈發(fā)成為限制其使用的關鍵因素。

EMI為何如此重要?

EMI全稱為Electro Magnetic lnterference，是一種電子系統(tǒng)或分系統(tǒng)受非預期的電磁擾動造成的性能損害，其產生的條件和傳播途徑主要由干擾源、耦合途徑、敏感設備三個基本要素組成。

何為干擾源?顧名思義就是產生電磁干擾的源頭。一般分為內部干擾源和外部干擾源，其中內部干擾源包括開關電路、整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)，外部干擾源包括電源干擾和雷電干擾。

那干擾源又是如何產生的?以開關電路為例，開關電路是開關電源的核心，同時也是主要干擾源之一，由開關管和高頻變壓器組成。

簡單地說，由于開關管及其散熱片與外殼和電源內部的引線間存在分布電容，其產生的du/dt具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富。當開關管負載為高頻變壓器初級線圈時屬于感性負載，此時原來導通的開關管關斷，(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)高頻變壓器的漏感產生了反電勢E=-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比，迭加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，從而形成傳導干擾。當然不止開關電路，上述提到的整流電路的整流二極管、雜散參數(shù)等都是導致EMI的重要原因。

一直以來，設計中的電磁干擾(EMI)問題十分令人頭疼，尤其是在汽車領域。為了盡可能的減小電磁干擾，設計人員通常會在設計原理圖和繪制布局時，通過降低高di / dt的環(huán)路面積以及開關轉換速率來減小噪聲源。

但是，有時無論布局和原理圖的設計多么謹慎，仍然無法將傳導EMI降低到所需的水平。這是因為噪聲不僅取決于電路寄生參數(shù)，還與電流強度有關。另外，開關打開和關閉的動作會產生不連續(xù)的電流，這些不連續(xù)電流會在輸入電容上產生電壓紋波，從而增加EMI。

因此，有必要采用一些其他方法來提高傳導EMI的性能。本文主要討論的是引入輸入濾波器來濾除噪聲，或增加屏蔽罩來鎖住噪聲。

圖1 EMI濾波器示意簡圖

圖1是一個簡化的EMI濾波器，包括共模(CM)濾波器和差模(DM)濾波器。 通常，DM濾波器主要用于濾除小于30MHz的噪聲(DM噪聲)，CM濾波器主要用于濾除30MHz至100MHz的噪聲(CM噪聲)。 但其實這兩個濾波器對于整個頻段的EMI噪聲都有一定的抑制作用。

圖2顯示了一個不帶濾波器的輸入引線噪聲，包括正向噪聲和負向噪聲，并標注了這些噪聲的峰值水平和平均水平。 其中，該被測系統(tǒng)主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1輸出5V/5A，并給后續(xù)芯片TPS65263QRHBRQ1供電，同時輸出1.5V/3A，3.3V/2A以及1.8V/2A。 這兩個芯片都工作在2.2MHz的開關頻率下。 另外，圖中顯示的傳導EMI標準是CISPR25 Class 5(C5)。有關該系統(tǒng)的更多信息，請查閱應用筆記SNVA810。

圖2 C5標準下的噪聲特性(無濾波器)

圖3顯示了增加一個DM濾波器后的EMI結果。 從圖中可以看出，DM濾波器衰減了中頻段DM噪聲(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高頻段噪聲(30MHz至100MHz)也有所降低，但仍超過限制水平。這主要是因為DM濾波器對于高頻段CM噪聲的濾除能力有限。

圖3 C5標準下的噪聲特性(帶DM濾波器)

圖4顯示了增加CM和DM濾波器后的噪聲特性。 與圖3相比，CM濾波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪聲。 并且EMI性能也通過了CISPR25 C5標準。

圖4 C5標準下的噪聲特性(帶CM和DM濾波器)

圖5顯示了不同布局下帶CM和DM濾波器的噪聲特性，其中濾波器與圖4相同。但與圖4相比，整個頻段的噪聲增加了大約10dBμV/ m，高頻噪聲甚至還超出CISPR25 C5標準的平均值。

圖5 C5標準下的噪聲特性(帶CM和DM濾波器，不同布局)

圖4和圖5之間噪聲結果的不同主要是由于PCB布線差異所致，如圖6所示。圖5的布線中(圖6的右側)，大面積覆銅(GND)包圍著DM濾波器，并和Vin走線形成了一些寄生電容。 這些寄生電容為高頻信號旁路濾波器提供了有效的低阻抗路徑。 因此，為了最大限度地提高濾波器的性能，需要移除濾波器周圍所有的覆銅，如圖6左側的布線。

圖6 不同的PCB布線

除了增加濾波器外，另一種優(yōu)化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。 這是因為連接著GND的金屬屏蔽罩可以阻止噪聲向外輻射。 圖7推薦了一種屏蔽罩的擺放方法。該屏蔽罩恰好覆蓋了板上所有的元器件。

圖8顯示了增加濾波器和屏蔽罩之后的EMI結果。 如圖所示，整個頻段的噪聲幾乎都被屏蔽罩消除，EMI性能非常好。 這主要是因為等效為天線的長輸入引線會耦合大量輻射噪聲，而屏蔽罩恰好隔絕了它們。在本設計中，中頻噪聲也會采用這種方式耦合到輸入引線上。

圖7 帶屏蔽罩的PCB 3D模型

圖8 C5標準下的噪聲特性(帶CM，DM濾波器以及屏蔽罩)

圖9也顯示了帶濾波器和屏蔽罩的噪聲特性。與圖8 不同的是，圖9中屏蔽罩是一個金屬盒，它包裹了整個電路板，且只有輸入引線裸露在外面。 雖然有了這個屏蔽罩，但一些輻射噪聲仍然可以繞過EMI濾波器并耦合到PCB上的電源線，這將會導致比圖8更差的噪聲特性。有趣的是，圖4，圖8和圖9中(相同的布局布線)高頻帶的噪聲特性幾乎相同。 這是因為在增加EMI濾波器后，能耦合到輸入線上的高頻段輻射噪聲幾乎已經不存在了。

任何的導體在測試EMI時都會有天線效應，因此建議使用客戶量產所用的線材，包括輸入線材與輸出線材(不同的線材會有些許的差異)，而散熱片一般會下地(或一參考電位)，外面有鋁殼或金屬導體時也要下地，避免導體因電場或磁場效應而產生干擾，成品的組件組裝上也需注意是否有遠離干擾源，任何導體經過磁性組件周邊時也要注意磁性組件漏磁通所帶來的干擾。

現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)通常在開關模式下工作，產生了較大的電磁干擾(EMI)，EMI問題一直是電力電子工程師頭疼的問題，解決EMI問題是一項既困難又耗時的工作，本文將介紹EMI是如何產生、傳播以及如何優(yōu)化解決。

常見縮略語：

● EMC(Electromagnetic Compatibility)：電磁兼容性

● EMI(Electromagnetic Interference)：電磁干擾

● EMS(Electromagnetic Susceptibility)：電磁抗擾度

● IEC(International Electrotechnical Commission)：國際電工委員會

● FCC(Federal Communication Commission)：美國聯(lián)邦通信委員會

● CISPR：國際無線電干擾特別委員會

● CE：字母“CE”是法文句子的縮寫，意指歐盟

● CCC(China Compulsory Certificate)：中國強制性產品認證制度，又稱3C認證。

電磁兼容性(EMC)是指設備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產生無法忍受的電磁干擾能力，電磁兼容(EMC)包含電磁干擾(EMI)和電磁抗擾度(EMS)。