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如何應對PCB中的電源EMI
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。電源設計中每個人的首要任務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應由設計者自擔風險，因為未通過EMC測試將導致一系列重新設計，從而浪費時間和金錢。
話雖如此，電源EMI的主要來源是什么，電源設計人員如何才能對其進行檢查？來自電源的EMI主要表現為傳導EMI被驅動至負載，但該器件也存在輻射EMI，尤其是在設計大電流開關穩壓器時。盡管我們不能在本文中介紹每一個方面，但我將整理一系列策略，以幫助您開始解決一些常見的電源EMI問題。
查找電源EMI的原因
如上所述，盡管開關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，在規劃PCB布局時，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射問題。與高頻，大電流開關穩壓器相比，簡單的線性穩壓器或LDO解決的問題更少。
在下表中，我概述了三種常見的EMI來源及其在電源設備和板載穩壓器電路中的產生。有時，我們有時需要區分電源內部發生的EMI和連接到電源的電路板接收到的EMI。實際上，每種類型的系統中EMI的大小都是規模問題。產生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。
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EMI類型 |
根本原因 |
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共模電流 |
多種電源：從交流電源，不連續的接地，寄生耦合和已接收的輻射EMI傳導 |
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寄生振鈴 |
不連續導通模式操作，過大的寄生元件，低負載條件 |
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輻射EMI |
可能源自振鈴，共模噪聲，過大的電流環路，開關噪聲 |
有關這些區域中的每個區域的卷均已編寫，并且每個區域都不能孤立。例如，各種操作模式（例如，振鈴）和開關參數（高PWM頻率）可以組合以產生共模電流，然后產生共模EMI或傳導至下游組件以減少總功率輸出。
讓我們簡要地看一下這些領域中的每一個，以了解它們與電源EMI的關系。
共模電流
共模電流的驅動器有點違反直覺。共模電流是一種電效應，是由電場變化驅動的，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上可能會發生相同的影響。
請注意，即使從交流市電輸入中濾除了輸入共模噪聲之后，該電流路徑仍會出現在系統中。它還可能具有非常大的環路電感，從而創建了發射或接收EMI的新位置。
為什么要這樣開始呢？原因是上圖中的點A和底盤之間存在電位差，從而允許一些電流通過寄生電容傳導回干線。在具有分開的接地部分的以太網板上也可能發生類似的問題，其中共模噪聲會耦合到以太網網絡鏈路的PHY端。
解決方案：這取決于共模電流進入系統的方式。對于來自交流電源的傳導電流，您將需要對電源輸出進行一些過濾。共模扼流圈是標準配置，或者您可以使用pi濾波器進行額外的濾波。在某些系統中，例如以太網交換機，會發生共模電流，但是您的工作是通過跟蹤返回路徑來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生變化，從而導致振鈴引起的阻尼不足。在實際組件中發現了許多會影響振鈴的寄生效應。除了預期的以外，還會發生這種情況。振鈴的主要參與者包括：
MOSFET引線電感，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更大或更小的組件。不幸的是，無論是在實踐中還是在仿真中，這都不像聽起來那樣容易。此外，您需要關注設計中最重要的寄生因素，并且需要接受的是，布局永遠不會完全擺脫寄生因素。
輻射EMI
輻射EMI有兩個主要來源。首先，每當MOSFET開關時，它就會在開關穩壓器中以突發方式發生，這還會產生一些跨越較寬功率譜的傳導EMI（請參見下文）。其次，共模電流也是輻射EMI的來源。這兩個源的輻射方向圖可能非常復雜，并且可能跨越多個諧波。
解決方案：您需要使用低通濾波來嘗試消除電源輸出中的某些傳導（差分模式）EMI。通過專注于降低共模電流，可以顯著降低輻射EMI，共模電流的強度約為差模輻射EMI的100倍。盡管可以通過在開關部分附近澆灌接地并確保低環路電感布線來抑制電磁輻射，但開關電磁輻射產生的電磁干擾在很大程度上是不可避免的。
來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。從開關晶體中也可以看到這一點，由于沿時鐘信號線路徑的環路電感較大，開關晶體會發出強烈的輻射。當高頻PWM信號未在大參考平面附近布線時，可能會發生同樣的情況。這個次要問題與布線有關，而不是與MOSFET或其他開關組件的開關性質有關。
無法通過簡單的SPICE仿真來診斷這些類型的EMI，因為它們在很大程度上取決于物理布局。但是，場求解器實用程序可以幫助您確定布局中具有強輻射發射，強振鈴和共模電流的位置。