如何應對PCB中的電源EMI

2021-05-26

如何應對PCB中的電源EMI

電源是我們所有人都認為理所當然的系統之一。電源設計中每個(gè)人的首要任務(wù)通常是確保電壓和電流輸出達到所需的水平，可能還要考慮散熱因素。但是，由于安全問(wèn)題，EMC要求，使用更高的PWM頻率以及需要更小的封裝，電源EMI應該是主要的設計考慮因素。電源EMI應由設計者自擔風(fēng)險，因為未通過(guò)EMC測試將導致一系列重新設計，從而浪費時(shí)間和金錢(qián)。

話(huà)雖如此，電源EMI的主要來(lái)源是什么，電源設計人員如何才能對其進(jìn)行檢查？來(lái)自電源的EMI主要表現為傳導EMI被驅動(dòng)至負載，但該器件也存在輻射EMI，尤其是在設計大電流開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)。盡管我們不能在本文中介紹每一個(gè)方面，但我將整理一系列策略，以幫助您開(kāi)始解決一些常見(jiàn)的電源EMI問(wèn)題。

查找電源EMI的原因

如上所述，盡管開(kāi)關(guān)電源中可能存在特別強的輻射EMI，但電源主要輸出傳導的EMI。在考慮電源中的EMI時(shí)，在規劃PCB布局時(shí)，我們需要考慮拓撲結構以及是否要解決有害電流或有害發(fā)射問(wèn)題。與高頻，大電流開(kāi)關(guān)穩壓器相比，簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓器或LDO解決的問(wèn)題更少。

在下表中，我概述了三種常見(jiàn)的EMI來(lái)源及其在電源設備和板載穩壓器電路中的產(chǎn)生。有時(shí)，我們有時(shí)需要區分電源內部發(fā)生的EMI和連接到電源的電路板接收到的EMI。實(shí)際上，每種類(lèi)型的系統中EMI的大小都是規模問(wèn)題。產(chǎn)生EMI的基本機制在嵌入式電源調節器和電源單元中是相同的。

有關(guān)這些區域中的每個(gè)區域的卷均已編寫(xiě)，并且每個(gè)區域都不能孤立。例如，各種操作模式（例如，振鈴）和開(kāi)關(guān)參數（高PWM頻率）可以組合以產(chǎn)生共模電流，然后產(chǎn)生共模EMI或傳導至下游組件以減少總功率輸出。

讓我們簡(jiǎn)要地看一下這些領(lǐng)域中的每一個(gè)，以了解它們與電源EMI的關(guān)系。

共模電流

共模電流的驅動(dòng)器有點(diǎn)違反直覺(jué)。共模電流是一種電效應，是由電場(chǎng)變化驅動(dòng)的，因此電源中的共模電流是由返回機箱的寄生電容而不是寄生電感來(lái)介導的。下圖顯示了電源的直流調節部分中的輸入電流示例，該電流在PWR / GND導軌上顯示為共模噪聲。

示例路徑，其后是通過(guò)寄生電容的共模電流。在具有單獨的系統，信號和機箱接地的PCB上可能會(huì )發(fā)生相同的影響。

請注意，即使從交流市電輸入中濾除了輸入共模噪聲之后，該電流路徑仍會(huì )出現在系統中。它還可能具有非常大的環(huán)路電感，從而創(chuàng )建了發(fā)射或接收EMI的新位置。

為什么要這樣開(kāi)始呢？原因是上圖中的點(diǎn)A和底盤(pán)之間存在電位差，從而允許一些電流通過(guò)寄生電容傳導回干線(xiàn)。在具有分開(kāi)的接地部分的以太網(wǎng)板上也可能發(fā)生類(lèi)似的問(wèn)題，其中共模噪聲會(huì )耦合到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )鏈路的PHY端。

解決方案：這取決于共模電流進(jìn)入系統的方式。對于來(lái)自交流電源的傳導電流，您將需要對電源輸出進(jìn)行一些過(guò)濾。共模扼流圈是標準配置，或者您可以使用pi濾波器進(jìn)行額外的濾波。在某些系統中，例如以太網(wǎng)交換機，會(huì )發(fā)生共模電流，但是您的工作是通過(guò)跟蹤返回路徑來(lái)防止它們傳導到敏感電路中。

是什么導致寄生振鈴？

在上表中，我確定了可能發(fā)生振鈴的幾種原因，尤其是在不連續模式下。但是，寄生效應也可能導致設計中的阻尼條件發(fā)生變化，從而導致振鈴引起的阻尼不足。在實(shí)際組件中發(fā)現了許多會(huì )影響振鈴的寄生效應。除了預期的以外，還會(huì )發(fā)生這種情況。振鈴的主要參與者包括：

MOSFET引線(xiàn)電感，體電容

電感/變壓器繞組電容

PCB布局中電流路徑中的寄生電感

電路中寄生物與預期的RLC元素之間的相互作用

電源布局中的寄生物和所需組件形成等效的RLC電路，該電路可能顯示出衰減不足的諧振。振鈴出現在輸出上的差模噪聲中，功率譜跨越高MHz頻率，具體取決于寄生電路形成的等效RLC電路的諧振頻率。

利用SPICE仿真可以在瞬態(tài)分析中識別出阻尼不足的諧振。

解決方案：使用寄生效應較小的組件，這在物理上可能意味著(zhù)更大或更小的組件。不幸的是，無(wú)論是在實(shí)踐中還是在仿真中，這都不像聽(tīng)起來(lái)那樣容易。此外，您需要關(guān)注設計中最重要的寄生因素，并且需要接受的是，布局永遠不會(huì )完全擺脫寄生因素。 

輻射EMI

輻射EMI有兩個(gè)主要來(lái)源。首先，每當MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)，它就會(huì )在開(kāi)關(guān)穩壓器中以突發(fā)方式發(fā)生，這還會(huì )產(chǎn)生一些跨越較寬功率譜的傳導EMI（請參見(jiàn)下文）。其次，共模電流也是輻射EMI的來(lái)源。這兩個(gè)源的輻射方向圖可能非常復雜，并且可能跨越多個(gè)諧波。

解決方案：您需要使用低通濾波來(lái)嘗試消除電源輸出中的某些傳導（差分模式）EMI。通過(guò)專(zhuān)注于降低共模電流，可以顯著(zhù)降低輻射EMI，共模電流的強度約為差模輻射EMI的100倍。盡管可以通過(guò)在開(kāi)關(guān)部分附近澆灌接地并確保低環(huán)路電感布線(xiàn)來(lái)抑制電磁輻射，但開(kāi)關(guān)電磁輻射產(chǎn)生的電磁干擾在很大程度上是不可避免的。

來(lái)自降壓轉換器的示例傳導和輻射EMI頻譜。

請注意，上面顯示的傳導EMI頻譜也可能出現在輻射EMI頻譜中。從開(kāi)關(guān)晶體中也可以看到這一點(diǎn)，由于沿時(shí)鐘信號線(xiàn)路徑的環(huán)路電感較大，開(kāi)關(guān)晶體會(huì )發(fā)出強烈的輻射。當高頻PWM信號未在大參考平面附近布線(xiàn)時(shí)，可能會(huì )發(fā)生同樣的情況。這個(gè)次要問(wèn)題與布線(xiàn)有關(guān)，而不是與MOSFET或其他開(kāi)關(guān)組件的開(kāi)關(guān)性質(zhì)有關(guān)。

無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單的SPICE仿真來(lái)診斷這些類(lèi)型的EMI，因為它們在很大程度上取決于物理布局。但是，場(chǎng)求解器實(shí)用程序可以幫助您確定布局中具有強輻射發(fā)射，強振鈴和共模電流的位置。