降低开关电源各种形式EMI的最佳方法

第第页降低开关电源各种形式EMI的最佳方法（开关电源）EMI(电磁干扰)不通过可能会带来以下几个坏处：

1.（电子）设备受到干扰：开关电源产生的高频噪音和谐波可能会对周围的电子设备产生干扰。这些干扰（信号）可能导致其他设备的故障、降低性能或产生（电磁兼容）性问题。

2.增加电磁辐射：开关电源在正常工作时会产生高频辐射，如果没有通过EMI测试，可能会超出国家和地区的电磁辐射标准限制。这种辐射可能会对人体健康产生潜在风险，特别是长期接触高强度辐射可能导致身体不适或健康问题。

3.影响（通信）和无线设备：开关电源未经EMI测试可能会干扰通信信号和无线设备。这些干扰信号可能对无线电频段的正常通信产生负面影响，导致通信质量下降、数据传输错误或通信中断。

4.不符合法规要求：一些国家和地区有严格的EMI标准和法规，要求电子设备必须通过EMI测试以确保其不会对其他设备或人体健康造成干扰。开关电源未经过EMI测试无法符合这些法规要求，可能会导致（产品）无法上市销售或面临法律责任。

EMI是评估（电力电子）开关电源性能上的一种关键（参数），它可以通过多种方式加以降低，添加一个EMI过滤器似乎是最明显的选择，但可能还有更好的方法。今天（EMC）小哥带您了解更多降低EMI方法

l传导和辐射电磁干扰的降低方法。

l调整开关电压调节器的频率，以降低EMI.

l应用EMI过滤器

现代电子电力系统架构正变得越来越密集，并存在大量的互通互联关系，降低此类系统中的EMI变得越来越具有挑战性。

EMI的主要问题来源之一是开关（电源）(S（MPS）)。SMPS可以放在系统设计或印刷电路板(（PCB）)的外部，也可以是PCB上设计的一部分。

无论哪种方式，都必须降低EMI干扰，以便通过标准测试以及不会造成周围的电路错误操作。

本文上海雷卯EMC小哥将为（电路设计）人员提供一些在设计中控制EMI的最佳方法。

THESMPS

由于SMPS的效率比线性稳压器效率显著提高，已成为许多系统设计中的关键组件。功率硅（MOSFET）或GaN功率器件的开关导致不连续（电流），是影响可靠系统运行的主要因素(图1)。下面接着将概述一些降低各种形式EMI的最佳方法。

本原理图显示了SMPS中的EMI源。

传导EMI降低方法

传导噪声比辐射噪声更容易分析;设计人员可以采用标准的（电路分析）方法。但是，EMI分析中的许多组件都是寄生的，不会出现在原理图上。

当（电源开关）设备打开和关闭时，它们会产生较大的不连续电流。这些电流将出现在（降压转换器）的输入端、升压（转换器）的输出端以及反激式和降压-升压型转换器设计的输入和输出端。

不连续电流会产生电压纹波，这些纹波可能通过导体相互接触传导到系统架构的其他部分。转换器输入端的此类电流应通过

输入（滤波器）进行滤波，以减轻电压干扰。功率转换器的输出也可能需要滤波器来帮助通过EMI标准

。

共模噪声通常更难分析，因为它通常是由寄生（电容）的充电/放电引起的，寄生电容在散热器或变压器绕组间电容最高。

辐射EMI降低方法

辐射噪声可以通过两种方式进行评估：

l用几米外的（天线）测量的电磁噪声。

l用靠近磁性元件的“嗅探器探头”测量的磁噪声。

电磁场的起因通常是电路中包含高频谐波的电流，这些谐波在回路中流动。减小环路面积、di/dt或电流峰值幅度将有助于降低辐射噪声。

开关调压器中的抖动

通过使用扩频调频(SSFM)技术，对开关调压器开关频率进行抖动，将降低EMI，并帮助设计人员当在滤波和优化布局无法满足EMI标准限制时通过一致性测试。

抖动略微调制（开关稳压器）中的基波开关频率。下面是它的（工作原理）。开关电源的电磁辐射通过方波脉冲分布在许多频率上，其中最大的能量在基频处。

稍微改变基频(使用3%左右的典型调制)将调制峰值开关噪声能量，该能量将在多个基频之间共享。总电磁能量将保持不变，但窄带能量已降低，因此EMI有效降低。

在图1所示的示例中，5dB峰值降噪可以在获得标准批准的情况下快速上市，还是将噪声峰值降低到标准限值以下(图2)。

2.此图显示了在330kHz附近有和没有抖动的准峰值测量值，显示抖动导致5dB降低。

使用封装和引脚排列来降低EMI

许多设计人员可能没有考虑到，选择有助于降低EMI的（IC）封装类型的好处。一个很好的例子是在SMPS中封装功率MOSFET。

这些类型的电源转换器使用快速开关电压转换速率(dv/dt)以及高电流速率(di/dt)，这将增加系统中的EMI。

设计人员可以添加EMI滤波器作为解决方案。但是，在这样做并增加设计尺寸(从而降低功率密度)之前，请先了解也有助于降低EMI的封装技术。

以下是如何利用功率MOSFET封装设计改善EMI的一些示例。排列电源引脚和GND引脚相邻，这样可以平行放置滤波电容，尽可能的减小环路，改进高频EMI。

此外，两个相等和并联电感的等效寄生环路电感减半。

因此设计时的优化布置引脚位置可以降低高频EMI.QFN封装中的键合线有时可以通过使用铜柱和引线框架与（芯片）之间的倒装芯片互连来消除(图3)。

3.这种典型的QFN封装使用键合线将芯片连接到裸露焊盘，电源开关在该焊盘中表现出明显的振铃(a)。

改进的封装采用铜柱和从芯片到引线框架的倒装芯片互连，从而消除了电源开关中的振铃(b)。

循环输入电流将产生相反的磁场，导致H场抵消并减少辐射发射。

因此，通过创建高di/dt输入环路的对称布局，产生的(相反方向的)磁场可以相互抵消。

降低封装EMI的另一种方法是在另一个PCB层(如顶层（电源电路）正下方的第2层)的两个电感环路下方放置一个连续接地层，用于返回电流。

电磁干扰滤波器

EMI滤波器可以是分立式的，也可以是模块化的。电源设计人员将不得不在时间、尺寸和成本方面选择最有利于其设计需求的电源。

高功率密度电源架构中的EMI滤波器

在高功率密度电源中，最大限度地减小EMI滤波器的尺寸至关重要。没有磁性元件的滤波器设计更紧凑，从而达到良好的功率密度。

例如，图4中的滤波器设计使用电压（检测）和无磁性元件的电流注入拓扑。

为了增强滤波器的输出电流和功率以及改善插入损耗(IL)，在（放大器）输出后面使用推挽式（功率放大器）电路，以使输出电流足够大。

这种滤波器设计足够稳定，可以取代无源EMI滤波器。

4.这种高性能滤波器设计，没有磁性元件，可以支持60A量级的高输出电流。

屏蔽EMI滤波器是控制传导EMI的最后努力差模(DM)EMI滤波器(图5)可能会在电源系统中产生传导EMI干扰。

图为π型EMI滤波器

5.在DM滤波器下方放置铜屏蔽可能会有所帮助(图6a)。当所有其他方法都失败时，在PCB的顶部和底部添加铜层，并在滤波器的两侧添加两个垂直铜屏蔽(图6b)。

6.DMEMI滤波器有两种不同的配置：在(a)中，滤波器位于单铜层PCB的顶部，每个滤波器元件之间的距离为3.5毫米。在(b)中，滤波器位于双铜层(顶部和底部)PCB和两个垂直铜屏蔽层上，每个滤波器组件之间有3.5mm。

总结

设计人员