開關(guān)電源的設(shè)計有三大難題，可能會導(dǎo)致設(shè)計在最后一刻功敗垂成，那就是熱問題、安規(guī)問題和電磁干擾。其中，電磁干擾問題是最難被預(yù)測的，并且受時間約束（測試費用昂貴，且按小時計費）。電磁干擾像一個“氣球”，若試圖在某一頻率“壓下”，可能會在另一頻率“鼓起”。在設(shè)法符合了傳導(dǎo)發(fā)射之后，可能會發(fā)現(xiàn)輻射限制又超標(biāo)了，諸如此類。

    電磁干擾是開關(guān)電源設(shè)計中公認(rèn)的最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，許多非特征性寄生參數(shù)會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此需要投入大量的人為調(diào)整（連蒙帶猜、又湊又碰、死馬當(dāng)活馬醫(yī)）。當(dāng)然，如果對開關(guān)電源的原理有清晰而深刻的理解，并且在設(shè)計階段把關(guān)鍵因素考慮進(jìn)去，那么在電磁干擾測試和調(diào)試過程中，主體部分便無需重新設(shè)計，避免功虧一簣的“災(zāi)難”發(fā)生。

01【電磁干擾現(xiàn)象的發(fā)生】

任何天線既是良好的接收器，又是良好的發(fā)射器。有些情況下，從輸出電纜開始輻射，然后被輸入電纜（通過輻射）接收，并從該點傳導(dǎo)給建筑的配電網(wǎng)（再次輻射）。輸入和輸出電纜線經(jīng)常攜帶大量的高頻電磁噪聲，在輻射頻譜和傳導(dǎo)頻譜中都能看到。

麥克斯韋方程組表明，時變電場（E，量綱V/m)產(chǎn)生時變磁場(H，量綱A/m)，反之亦然。電場E和磁場H同時存在，與原始磁源和電源之間存在時間差。電磁場在一定距離外組合成電磁波并以光速在空間傳播。

極遠(yuǎn)距離處的電磁場相互成正比，能夠形成自我維持且遠(yuǎn)距離傳播的電磁波（甚至穿越銀河系）。如果電磁波的一個分量（電場或磁場）遭到破壞，那么整個電磁波將不復(fù)存在。因此，遠(yuǎn)場常用射頻屏蔽或電磁屏蔽，抑制緩變的電磁場和（或）近場，常用靜電屏蔽和（或）磁屏蔽。

電路的場有如下四種基本類型：（1）靜電場：電荷的固定分布，電荷不能移動，無法形成電流（2）靜磁場：由直流回路產(chǎn)生，與靜電場成對偶關(guān)系。恒定磁場H不隨時間變化，場信息無法傳播（3）時變電場（4）時變磁場。

電場E和磁場H的比值成為波阻抗。PCB上一個小環(huán)形電流回路就能產(chǎn)生磁場，而電壓跳變的銅條或金屬條就能形成電場源（例如散熱器）。一旦場隨時間變化，磁場就能產(chǎn)生相應(yīng)的電場，電場也能產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。距離很遠(yuǎn)時，電場與磁場互成正比，并形成電磁波。遠(yuǎn)場和近場的邊界定義為距電磁干擾源約1/6波長處，即0.16波長處。近場的磁場和電場對空間輻射的能量很小，能量主要集中在近場范圍內(nèi)。

圖1 自由空間的電磁阻抗

02【DC/DC電路的EMC問題】

影響EMC性能有三大要素，分別是干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備。

圖2 影響EMC的三大要素

1）噪音源

以BUCK為例，DC/DC芯片開關(guān)過程中產(chǎn)生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量，這是噪音源。

圖3 BUCK電路的常見開關(guān)波形

圖4 開關(guān)波形的斜率與噪音衰減的關(guān)系

以BUCK為例，DC/DC芯片的開關(guān)噪聲的開關(guān)斜率越小，高頻噪聲的分量衰減就越大。

2）傳播路徑

EMC噪音以傳導(dǎo)和空間輻射的形式對外輻射。阻斷空間輻射的最好方式是做好金屬屏蔽，而傳導(dǎo)則比較麻煩，噪音會以磁場和電場的形式耦合到附件的器件和PCB走線上，然后通過連接器傳到線束上，然后導(dǎo)致空間輻射或者傳導(dǎo)超標(biāo)。

圖5 傳導(dǎo)中常見近場磁場的干擾

圖6 傳導(dǎo)中常見近場電場的干擾

傳導(dǎo)發(fā)射可基本分為兩類：

（1）差模（DM），也稱為對稱模式或普通模式

（2）共模（CM），也稱為非對稱模式或接地泄露模式

圖7 差模和共模噪音

共模噪音的產(chǎn)生是由于PCBA與機(jī)殼之間存在著容性耦合，電路上的高頻電壓跳變會通過容性耦合通過機(jī)殼導(dǎo)入（泄露）大地，所以在線束上被測試到共模噪音。同時，共模噪音會把長輸出電纜作為巨型天線。從共模噪音的產(chǎn)生機(jī)理中，我們也可以推斷出共模電流頻率通常要比差模電流頻率高很多。因此，它有能力產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射。如果線路阻抗不相等，共模噪音會轉(zhuǎn)化為差模噪音，從源頭控制噪音很重要。

測量電磁干擾要用到阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(ISN)。在離線電源中，它稱為線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)，也稱為人工電源網(wǎng)絡(luò)(AMN）。它的作用是阻擋一切來自電網(wǎng)對外部噪聲進(jìn)入測試區(qū)域，為待測裝置提供純凈的測試環(huán)境；同時，也阻止電源噪聲進(jìn)入電網(wǎng)，將其轉(zhuǎn)入測試區(qū)域。

圖8 傳導(dǎo)發(fā)射測試時的人工網(wǎng)絡(luò)(LISN)

將機(jī)器的金屬外殼接地的目的是防止裝置內(nèi)輻射外泄。金屬外殼也常被用作良好的散熱器，這樣的后果是內(nèi)部子系統(tǒng)或電路與金屬機(jī)殼之間產(chǎn)生了泄露路徑（阻性或容性），即使泄露電流很小也足以產(chǎn)生電磁干擾的問題。但是，如果這些泄露電流不能以某種方式排放，外殼將充電至不可預(yù)測且不確定的電壓，并最終輻射出去（電偶極子或電場源）。也就是說，未接地的外殼會感應(yīng)并再次輻射內(nèi)部強(qiáng)電場或強(qiáng)磁場。即使沒有功率器件安裝在外殼上，內(nèi)部電路與外殼之間也會有其他泄露路徑，所以外殼接地不可避免。

03【Layout設(shè)計對EMC的影響】

1）DC/DC電源的兩大噪音源：DC/DC芯片的主要噪聲源是高頻電流環(huán)路(Hot loop)和高頻開關(guān)節(jié)點(SW note), 包含了比較寬頻段的諧波分量。

圖9 DC/DC 的兩大噪音源

2）高頻電流環(huán)路(Hot loop)和高頻開關(guān)節(jié)點(SW note)分別產(chǎn)生交變的磁場和電場。高頻電流環(huán)路形成的磁場大小取決于環(huán)路面積和電流大小。磁場強(qiáng)度隨著電流和環(huán)路面積而增大。

圖10 DC/DC 的兩大噪音源

3）在設(shè)計開關(guān)電源的PCB時，切記，必須使電壓跳變的銅面積（例如交換節(jié)點處）最小化，同時減小所有電流回路包圍的面積，特別是含有高頻諧波的回路。

圖11 減小節(jié)點面積相當(dāng)于減小等效的耦合電容，有助于減小共模電流

4）在Layout設(shè)計時，對各種拓?fù)涞母哳l電流環(huán)路需要了然于心。高頻電流環(huán)路存在于開關(guān)回路和濾波電容之間，電感電流是連續(xù)的三角波波形，相對而言不是關(guān)注的重點。高頻電流環(huán)路主要存在于電流切換的支路，開關(guān)管和連接在開關(guān)端兩端的電容組成了高頻電流回路。

圖12 各種拓?fù)涞母哳l電流環(huán)路

接著，減少高頻電流回路面積是設(shè)計時重點關(guān)注和采取的措施，以BUCK為例：

a）盡量使用同步Buck方案減少高頻電流回路面積。

b）輸入電容靠近開關(guān)管放置。電容要盡可能的靠近開關(guān)管，同步buck芯片的輸入電容要靠近芯片放置。

圖13 不同的電容放置方法導(dǎo)致，高頻環(huán)路的環(huán)路大小不一樣，環(huán)路越小，磁場能量越小

c）芯片內(nèi)部集成電容，通過芯片內(nèi)部集成電容的方式，進(jìn)一步減小電容，Linear和MPS已有相應(yīng)的方案。芯片集成電感對EMI有巨大的幫助，可以極大的減小近場磁場能量，對傳導(dǎo)和輻射都有很好的改善。

圖14 MPS集成電容的電源方案的EMC測試

d）對稱放置輸入電容抵消磁場：

圖15 采用對稱電容設(shè)計的電路，磁場抵消后輻射能量減弱

e）高頻電流環(huán)路底層完整PCB鋪銅

減少電磁干擾最有效和性價比最高的方法是覆銅，但是必須盡可能保證覆地層的完整性。切記，低頻時的返回電流總是試圖按照最短的直線路徑流動。但高頻時的返回電流（或開關(guān)波形中的高次諧波）總是試圖直接按照自己的前進(jìn)軌跡（在對面層）流動。因此，一旦有機(jī)會，電流將自動按照包圍面積最小的路徑流動。該路徑自感最小，回路阻抗最低（回路阻抗在低頻呈阻性，但在高頻段呈感性）。所以，若對覆地層的分割考慮不周（可能為了方便布線），功率變換器的返回電流就會被其中的分割線分流，從而在PCB板上形成有效的縫隙天線。

圖16 高頻電流環(huán)路底層完整PCB鋪銅

完整的地平面可以感應(yīng)出電流，并形成相反的磁場來抵消高頻環(huán)路帶來的磁場。完整的鋪銅距離高頻環(huán)路越近，對磁場的削弱作用越強(qiáng)。

圖17 不同距離鋪銅的磁場強(qiáng)度

5）電感挖地會破壞完整的地

圖18 電感挖地會破壞完整的地

6）輸入濾波器遠(yuǎn)離高頻電流環(huán)路。

圖19 輸入濾波器遠(yuǎn)離高頻電流環(huán)路

注意，輸入端濾波器位置的擺放，遠(yuǎn)離高頻電流環(huán)路。

7）避免功率地和輸入地的耦合：輸入和輸出電容的地匯集至一點，使得電源模塊是一個整體。

圖20 避免功率地和輸入地的耦合

04【開關(guān)電源的EMC設(shè)計建議】
（一）、器件選型

改善EMC性能，拓?fù)浜推骷x型很重要，選型恰當(dāng)可“事半功倍”。

選擇恰當(dāng)?shù)耐負(fù)洌?/span>在設(shè)計系統(tǒng)電源架構(gòu)時，平衡成本及設(shè)計難度的前提下，規(guī)避使用EMC性能比較難駕馭的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如SPEIC的EMC性能調(diào)試較有難度。BUCK-BOOST電路在輸入和輸出接近時，系統(tǒng)也容易不穩(wěn)定。

芯片選型：可以參考下列要點，芯片設(shè)計難度高，下列要點只是強(qiáng)調(diào)幾個方面的要點，不是設(shè)計的準(zhǔn)則，選型需要考慮的因素比較多，譬如成本考量、功能要求、電源架構(gòu)的延續(xù)與繼承，等等。

（1）使用同步類型DC/DC芯片

（2）使用高集成度的電源方案，譬如集成MOSFET的Buck Convertor，二合一的BUCK，等。

（3）FPWM選項：在電源效率符合要求的前提下，配置為FPWM(Force PWM，強(qiáng)制PWM模式)。電源的輕載模式，因為開關(guān)頻率的不固定，對EMC性能有較大的副作用。

（4）外部時鐘同步（External SYNC）選項：可配置外部同步時鐘的電源芯片，留了一個通過軟件轉(zhuǎn)移EMC超標(biāo)頻點的可能。不過，這個功能的主要目的是應(yīng)對電源對AM模塊的干擾，對EMC的實際效果需要根據(jù)實際情況而定。

（5）展頻(Spread Spectrum)選型：對開關(guān)信號的展頻對EMC的性能改善有直接的幫助。但是，需要注意的是，展頻選項和第（4）條的外部時鐘選項是沖突的，外部時鐘同步的優(yōu)先級更高。當(dāng)外部時鐘被使能，展頻(Spread Spectrum)將自動關(guān)閉。

外圍器件選型：電源模塊的外圍器件的選型對EMC的性能影響也很大，特別是電感。在設(shè)計成本可以被平衡的前提下，盡量選用一體成型的屏蔽電感，避免選用舊式的組裝電感，磁場會從空隙里滲漏出來。

磁封膠電感是平衡成本與性能的一個不錯的選擇，但是磁封膠電感的漏磁仍然是比較明顯的。在選擇磁封膠電感時，可以考量以下兩個要點：電感的厚度：電感越薄，漏磁的輻射范圍越小，對EMC性能越有幫助；布線時注意磁封膠電感的管腳處裸露的銅線對磁場的泄露。

（二）、原理圖設(shè)計

1）平衡電源效率及其它要求的前提下，盡可能配置成FPWM(Force PWM）模式；

2）低頻開關(guān)頻率有利于EMC性能但是會導(dǎo)致外圍器件的尺寸，主要是電感和輸出電容；

3）開關(guān)頻率的選擇還需要考慮對AM及其它頻率敏感的模塊的干擾；

4）控制芯片輸入端必須放置Bypass電容，推薦容值為100nF，在Layout時靠近芯片管腳擺放；

5）預(yù)留Snubber電路，等PCBA回來時實際調(diào)試；

（三）、Layout設(shè)計

1）首先，識別大電流回路，包括輸入部分的大電流回路和輸出部分的大電流回路。大電流流經(jīng)的路徑一般會注意的，比如鋪設(shè)電源平面，加粗走線，等等。

在這些常規(guī)操作之外，比較容易忽視的是回流路徑（俗稱“地”）的處理，這像一個城市的下水道，不呈現(xiàn)在面上的設(shè)計才是真的考驗。關(guān)于地的設(shè)計，后續(xù)細(xì)述。

2）接著，保護(hù)好敏感信號，譬如環(huán)路補(bǔ)償電路、電壓反饋，等。在復(fù)雜的電源設(shè)計中，可以根據(jù)規(guī)格書的建議并在它的指導(dǎo)之下把敏感信號進(jìn)行分地。這里所謂的“分地”是指把敏感信號的回流路徑連接到一起，然后統(tǒng)一接入功率地。

注意：保證電源模塊的地平面完整，不要進(jìn)行人為割裂，譬如這是信號地平面，這是功率地平面，不但是一廂情愿，而且容易弄巧成拙，因為開關(guān)電源里的噪音包括開關(guān)信號的噪音以及電感的漏磁，都需要盡可能完整的地平面來吸收，所以地平面不能割裂。

3）確保大電流回路的面積最小，高頻di/dt回路是大電流回路之中最關(guān)鍵的一環(huán)，所以優(yōu)先保證高頻di/dt回路的面積最小。Buck電路的高頻di/dt回路是輸入回路，Boost電路的高頻di/dt是輸出回路。

4）高頻dv/dt節(jié)點是電感與控制芯片或者M(jìn)OSFET相連接的那個節(jié)點，這個節(jié)點產(chǎn)生的高頻dv/dt會耦合到機(jī)殼或散熱片，通過機(jī)殼將一部電“漏走”，導(dǎo)致共模噪音。

5）確保Bypass電容（~100nF）靠近放置于控制芯片的電源輸入管腳處，并且在同一面，因為過孔會產(chǎn)生寄生電感，從而引起過沖，可能導(dǎo)致芯片工作異常。

6）Snubber電路靠近控制芯片的開關(guān)節(jié)點。如果是異步拓?fù)?，Snubber電路靠近肖特基二極管；如果是功率MOSFET是外置的，Snubber電路靠近MOSFET。