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詳解DC－DC開關電源EMI分析與優化設計

發布時間：2018-12-13 責任編輯：lina

【導讀】現代電力電子係統通常在開關模式下工作，產生了較大的電磁幹擾（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、傳播以及如何優化解決。

現代電力電子係統通常在開關模式下工作，產生了較大的電磁幹擾（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、傳播以及如何優化解決。

常見縮略語：

EMC（Electromagnetic Compatibility）：電磁兼容性

EMI（Electromagnetic Interference）：電磁幹擾

EMS（Electromagnetic Susceptibility）：電磁抗擾度

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

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

CISPR：國際無線電幹擾特別委員會

CE：字母“CE”是法文句子的縮寫，意指歐盟

CCC（China Compulsory Certificate）：中國強製性產品認證製度，又稱3C認證。

電磁兼容性（EMC）是指設備或係統在電磁環境中符合要求運行並不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁幹擾能力，電磁兼容（EMC）包含電磁幹擾（EMI）和電磁抗擾度（EMS）。其包含的測試項目如圖1所示。

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圖 1 EMC測試項

電磁幹擾限製可分為兩個基本應用範疇：

A類：適用於商業或工業裝置環境，相應限製較為輕鬆。

B類：適用於家用或住宅裝置，相應限製較為嚴格。

B類限製約比A類限製低10dB，即發射振幅之比約為1:3(20×log(3)≈10dB)。市場銷售的產品還需要滿足一些重要的安規標準。在許多國家，電磁兼容標準和安規標準統一用一個區域認證標誌來表示，如CE標誌即歐洲認證標誌，CCC標誌即中國強製認證標誌。該標誌表示產品符合電磁兼容標準和安規標準。

曆史上普遍接受的國際電磁幹擾標準是CISPR-22，美國的電磁幹擾標準是FCC，CISPR-22與FCC有所不同，但一般來說如果電源符合CISPR-22標準，那麼它也符合FCC標準。總之CISPR-22標準已經成為全世界都遵守的基本標準。汽車上的電磁幹擾標準是CISPR-25，相對CISPR22來說CISPR-25標準限製值更低並且額外對FM頻段做了很嚴的限製要求。具體傳導測試限製要求如圖2所示。

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圖 2 傳導測試標準

如圖3 所示電磁幹擾的輻射測試普遍采用天線接收法測試，相比於CISPR22來說CISPR25額外增加了150KHz ~ 30MHz的輻射測試，這部分測試頻段覆蓋了DCDC的工作頻率範圍，是輻射測試的難點。另外CISPR-25輻射測試采用1M法天線距離更近，測試接收的信號更強。

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圖3 輻射測試標準

對於設備來說DCDC開關電源是最常見的噪聲源，而通常又不易受幹擾，所以DCDC的EMC問題主要就是EMI問題。以Buck電源為例，DCDC芯片開關過程中產生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dtzaoshengfenliang，qikaiguanzaoshengbujinbaohankaiguancihebeipinpinlvduandezaosheng，lingwaiqikaiguansuduyuedi，gaopinzaoshengfenliangshuaijianyueda。zaoshengfenweichamozaoshenghegongmozaosheng，chamozaoshengshiLN線之間的電位差，共模噪聲是待測零部件的LN線和參考地之間的電位差。DCDC電源EMI主要來源於電流和電壓跳變，通過共模和差模的形式耦合到接收器上。

如圖4 所示是Buck開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)噪(zao)聲(sheng)產(chan)生(sheng)和(he)耦(ou)合(he)路(lu)徑(jing)，從(cong)傳(chuan)導(dao)路(lu)徑(jing)來(lai)說(shuo)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)產(chan)生(sheng)的(de)差(cha)模(mo)幹(gan)擾(rao)通(tong)過(guo)輸(shu)入(ru)電(dian)容(rong)濾(lv)波(bo)後(hou)會(hui)直(zhi)接(jie)傳(chuan)到(dao)輸(shu)入(ru)端(duan)，共(gong)模(mo)幹(gan)擾(rao)通(tong)過(guo)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)對(dui)地(di)的(de)耦(ou)合(he)再(zai)通(tong)過(guo)LISNduanjiancedao。congfushedelujinglaikanzhuyaoshichamodegonglvdianliuhuiluchanshengde，dangrangongmoganraoyehuichanshengbufenfusheganrao。yincizaishejidianlushijianxiaogonglvkaiguandianliuhuiluduichuandaofusheganraoyouhendadebangzhu。

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圖4 DCDC噪聲源及耦合路徑

既然有了上麵對EMI產生的原因分析，我們就可以按照如下幾點對EMI進行優化：

輸入端增加EMI濾波器

EMI濾波器可以抑製流經LISN的差模和共模電流，這在傳導測試中尤其關鍵，根據對噪聲的大小的衰減比例可以計算出EMI濾波器的參數大小。常見的EMI濾波器參數如圖5所示。

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圖 5 常見EMI濾波器設計參數

輸入輸出電容位置要靠近芯片放置

在功率開關回路中di/dt環路會產生磁場，並且磁場強度與電流和環路麵積成正比關係。減小環路麵積能大幅度減小對外輻射。如圖6 所示通過將輸入電容C2靠近芯片可以顯著減小磁場輻射程度。

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圖 6 輸入電容位置對EMI的影響

LC濾波器要與遠離DCDC高頻電流環路

所有的LC濾波器都是以電感結束，並且要遠離DCDC的高頻環路。防止電流環路的近場磁場效應對輸入濾波器的影響。

對稱設計芯片和對稱電容設計

如圖7 所示，對稱電容設計能明顯抵消磁場，如果電容集成到芯片內部的話對傳導和輻射的高頻幹擾都能起到極大的抑製作用，MPS的MPQ4491M就是一款高度集成的車載充電芯片方案，內部集成了電容，具有良好的EMI性能。

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圖7 對稱電容設計

改用一體成型電感

環形電感的漏磁較大，體積也比較大，對大地也有比較大的耦合電容，因此其對外的輻射更大，如圖8所示將環形電感替換為貼片電感後整體的EMI就會下降很多。

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圖 8 環形電感對EMI的影響

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