提前規(guī)劃系統(tǒng)的EMI合規(guī)性對于項目成功至關(guān)重要。精心規(guī)劃的設(shè)計應(yīng)使用正確的濾波器、低EMIPMIC/元件以及/或者低EMI電源模塊，再加上良好的PCB布局和屏蔽技術(shù)，這樣將能夠保證大概率一次性成功。

電磁兼容(EMI)合規(guī)性測試理所當(dāng)然應(yīng)該在產(chǎn)品開發(fā)周期的最后進行。不能通過EMI測試是系統(tǒng)工程師的噩夢。這不但是產(chǎn)品出貨計劃的巨大障礙，而且意味著重新設(shè)計電源，代價昂貴。慶幸的是，設(shè)計符合EMI標(biāo)準(zhǔn)的電源方案并不是不成功便成仁的事情。精心規(guī)劃的設(shè)計應(yīng)使用正確的濾波器、低EMI元件、低EMI電源調(diào)節(jié)器IC以及/或者低EMI電源模塊，再加上良好的PCB布局和屏蔽技術(shù)，這樣將能夠保證大概率一次性成功。

什么是EMI噪聲？為什么必須小心謹慎？

當(dāng)電子設(shè)備連接到或靠近另一個產(chǎn)生EMI的電子設(shè)備，或者與之共用電源時，其工作就會受到EMI的干擾。EMI可以是傳導(dǎo)性或輻射性。EMI問題會妨礙電子設(shè)備與相鄰的設(shè)備一起工作。我們?nèi)粘Ｉ钪锌赡茉庥龅某Ｒ奅MI例子有：

bull低空飛行的飛行器干擾收音機或電視的音頻/視頻信號。

bull發(fā)射機造成當(dāng)?shù)仉娨暸_不能顯示其畫面。最壞情況下，畫面會全部消失，或者呈現(xiàn)出某種圖像模式。

bull手機與通信塔握手以處理呼叫時引起的干擾(所以航班要求乘客在飛行期間關(guān)閉手機)。

bull微波爐發(fā)出的干擾會影響附近的WiFi信號。

隨著電子設(shè)備用量的大幅增長，電磁兼容(EMC)問題已成為一項重要課題。因此，誕生了標(biāo)準(zhǔn)化組織，以確保電子設(shè)備即使在EMI環(huán)境下也具備正常性能。現(xiàn)在，有了現(xiàn)代化電子設(shè)備，幾乎能夠在任何電子設(shè)備附近正常地使用手機及其他無線設(shè)備，幾乎沒有影響或影響非常小。為了實現(xiàn)上述目的，需要保證設(shè)備不發(fā)射有害輻射，同時也使設(shè)備不易受射頻輻射的影響。

EMI設(shè)計要求：

CISPR22(歐洲通常稱為EN55022)EMI規(guī)范將設(shè)備、裝置和電器分為兩類：

B類：設(shè)計用于家庭環(huán)境且滿足CISPR22標(biāo)準(zhǔn)B類發(fā)射要求的設(shè)備、裝置和電器。

A類：不滿足CISPR22標(biāo)準(zhǔn)B類發(fā)射要求但符合較寬松的CISPR22標(biāo)準(zhǔn)A類發(fā)射要求的設(shè)備、裝置和電器。A類設(shè)備應(yīng)具有以下警告：本產(chǎn)品為A類設(shè)備。在家庭環(huán)境中，本產(chǎn)品可能會引起無線電干擾，此時用戶可能需要采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

EMI測試包括兩部分：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射測試在150kHz至30MHz頻率范圍進行。這是傳導(dǎo)至電源的交流電流，采用兩種方法進行測量：準(zhǔn)峰值和平均值，各自具有其自身的限值。輻射發(fā)射測試在較高的30MHz至1GHz射頻范圍進行。這是來自于被測設(shè)備(DUT)的輻射磁場。測試范圍上限1GHz適用于內(nèi)部振蕩頻率最高為108MHz的DUT。該范圍上限在內(nèi)部振蕩器高達500MHz時擴展到2GHz，內(nèi)部振蕩器頻率高達1GHz時擴展到5GHz，內(nèi)部振蕩器頻率高達1GHz時擴展到6GHz。

以下為CISPR22規(guī)范的圖示：Y軸為測試EMI的大小，單位為dBuV。X軸為測試頻率，單位為Hz。

圖1：CISPR22標(biāo)準(zhǔn)B類傳導(dǎo)EMI規(guī)范。

圖2：CISPR22標(biāo)準(zhǔn)A類傳導(dǎo)EMI規(guī)范。

圖3：CISPR22標(biāo)準(zhǔn)B類輻射EMI規(guī)范。

圖4：CISPR22標(biāo)準(zhǔn)A類輻射EMI規(guī)范。

開關(guān)電源中的EMI噪聲源

開關(guān)電源會產(chǎn)生電磁能和噪聲，也受外部干擾源的電磁噪聲影響。開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲可分為傳導(dǎo)和輻射兩類。傳導(dǎo)發(fā)射的形式可以是電壓或電流，其各自又可進一步分為共模或差模。此外，連接線的有限阻抗造成電壓傳導(dǎo)，進而引起電流傳導(dǎo)，反之亦然；差模傳導(dǎo)引起共模傳導(dǎo)，反之亦然。

我們接下來討論開關(guān)電源中的噪聲源。這是一個buck調(diào)節(jié)器原理簡圖及其工作電路波形：

圖5：Buck調(diào)節(jié)器原理簡圖及其工作波形傳導(dǎo)EMI。

傳導(dǎo)EMI

如圖5所示，buck調(diào)節(jié)器的輸入電流II為脈沖波形，這是主要的傳導(dǎo)源，是反灌回電源VS的差分EMI。傳導(dǎo)發(fā)射主要受轉(zhuǎn)換器輸入處快速變化波形的影響(di/dt)。傳導(dǎo)發(fā)射的值是在轉(zhuǎn)換器輸入處作為電壓VS測量的，采用線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)。輸入電容CI的功能是濾除交流(脈沖)分量。網(wǎng)絡(luò)電流IS是II與ICI之差。我們希望IS為直流或者盡量平滑。如果CI為容值無限的理想電容器，將使VI保持恒定，并有效濾除I1的全部交流分量，保留來自于電源VS的恒定(直流)電流，以及保證源阻抗RS上的直流壓降為恒定值。在這種情況下，由于IS為直流電流，傳導(dǎo)EMI將為零。實際應(yīng)用中，我們在輸入源和轉(zhuǎn)換器之間使用pi濾波器，使傳導(dǎo)EMI在調(diào)節(jié)限值范圍之內(nèi)。

傳導(dǎo)發(fā)射給固定系統(tǒng)帶來的問題通常大于便攜式系統(tǒng)。由于便攜式設(shè)備使用電池工作，其負載和源沒有外部連接可供傳導(dǎo)發(fā)射。

輻射EMI

輻射EMI為快速變化的磁場，具有30MHz及以上的高頻成分。磁場是由電路的電流環(huán)路產(chǎn)生的。如果不能正確濾除或屏蔽這種磁場的變化，這種變化就會耦合到其他鄰近電路和/或設(shè)備，引起輻射EMI效應(yīng)。

圖6：Buck調(diào)節(jié)器原理簡圖及其快速di/dt電流環(huán)路。

圖6所示為buck轉(zhuǎn)換器及其快速di/dt電路環(huán)路I1和I2。電流環(huán)路I1在導(dǎo)通期間進行傳導(dǎo)，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷；電流環(huán)路I2在關(guān)斷期間進行傳導(dǎo)，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通。電流環(huán)路I1和I2的脈動性質(zhì)造成磁場變化，場強與電流幅值及傳導(dǎo)環(huán)路的面積成比例。快速di/dt電流沿產(chǎn)生高頻諧波EMI，且在規(guī)定的輻射范圍之內(nèi)。使此類電流環(huán)路的面積盡量小，將能夠最大程度降低場強。放慢這些信號沿將降低開關(guān)調(diào)節(jié)器的高頻諧波成分，但較慢的跳變會因為浪費能源而影響調(diào)節(jié)器效率。我們接下來討論能夠最大程度減小EMI輻射且不影響效率的途徑。

圖7：電流環(huán)路產(chǎn)生的磁場。

電壓節(jié)點LX(有些廠商稱之為SW或其他名稱)為矩形波(暫時忽略寄生振蕩)，連接到電感。LX的快速dv/dt電壓非連續(xù)信號沿通過輸出電感的寄生電容將高頻電流耦合到CO和負載，進而產(chǎn)生EMI噪聲。最大程度降低輸出電感的寄生電容以緩解噪聲耦合問題非常重要。LX也具有高頻寄生振蕩。使用從LX到GND的RC緩沖網(wǎng)絡(luò)有助于減小這種振蕩。

以上所述的EMI噪聲源的原理也同樣適用于其他開關(guān)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。但噪聲嚴重程度取決于具體結(jié)構(gòu)的電流和電壓波形。例如，工作在連續(xù)傳導(dǎo)模式的boost轉(zhuǎn)換器的輸入電流比buck轉(zhuǎn)換器的輸入電流更連續(xù)，所以其輸入處的傳導(dǎo)EMI較小。

采取亡羊補牢的方法修正電源系統(tǒng)的EMI問題實際上非常困難、耗費時間且代價昂貴。預(yù)先設(shè)計和規(guī)劃EMI合規(guī)性對于項目成功至關(guān)重要。常見的EMI抑制技術(shù)有電源濾波、電源設(shè)計、正確的PCB布局以及屏蔽。

EMI電源濾波設(shè)計

為降低來自電源轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)發(fā)射，在輸入源和電源轉(zhuǎn)換器之間使用pi濾波器。選擇濾波器元件的設(shè)計步驟如下：

確定輸入阻抗RIN：最差情況下，buck轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)輸入阻抗在所有頻率下均為RIN=RO/D2，其中RO為輸出負載，D為工作占空比。轉(zhuǎn)換器工作在最小輸入電壓時，輸入阻抗最小。

例：以Maxim的喜馬拉雅SiP電源模塊MAXM17575為例，器件采用4.5-60Vin、0.9-12Vout，提供最大1.5A電流。以MAXM17575評估板為例，最小輸入電壓為7.5V。輸出負載為RO=Vo/Io=5V/1.5A=3.3?。最大工作占空比為D=VO/VINmin=5V/7.5V=0.66。所以，最低可能輸入阻抗為RIN=RO/D2=3.3?/0.662=7.6?。

按照輸出阻抗比RIN小10db或更小來設(shè)計EMI濾波器：增加輸入濾波器會影響DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能。為最大程度減小這種影響，在最高達轉(zhuǎn)換器穿越頻率的所有頻率下，濾波器的輸出阻抗必須小于電源轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。

圖8.傳導(dǎo)EMI輸入濾波器，插入在輸入和電源模塊之間。

LC濾波器在諧振頻率下的輸出阻抗(最高值)為：

我們在設(shè)計中考慮濾波器的有效阻抗比buck轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗小10dB，大約等于輸入阻抗的三分之一。在MAXM17575的例子中，要求ZoRIN/3=7.6/3=2.5?，適用于MAXM17575電路穿越頻率(45kHz)以下的所有頻率。

PCB布局最佳實踐

PCB布局對EMI合規(guī)性至關(guān)重要。糟糕的PCB布局會徹底破壞設(shè)計完美的電源轉(zhuǎn)換器。以下為好的PCB布局實踐，利用上例中相同的buck轉(zhuǎn)換器最大程度減小EMI噪聲源：

最大程度減小高di/dt電流環(huán)路：將LO、CO和S2正確布置在一起，最大程度減小I2電流環(huán)路。然后，使這一組元件靠近S1和C1，最大程度減小I1電流環(huán)路。使用buck調(diào)節(jié)器IC(即集成功率開關(guān)S1和S2的buck控制器)時，選擇具有好的引腳排列從而支持這種最小化的IC非常重要。相同道理也適用于使用電源模塊的情況。

圖9：Buck轉(zhuǎn)換器的高di/dt電流環(huán)路。

使用法拉第屏蔽：以英國科學(xué)家邁克爾bull法拉第的名字命名的法拉第屏蔽(或法拉第籠)是用于阻隔電磁場的一種外殼。電源系統(tǒng)中實施法拉第屏蔽的方法通常有兩種：

a.由導(dǎo)電材料(例如銅)制成的籠子，將整個電源系統(tǒng)或設(shè)備籠罩起來。電磁場維持在籠子內(nèi)部。由于籠子的材料成本和附加裝配勞力，這種方法一般成本較高。

b.PCB的頂層和底層布局帶有屏蔽接地區(qū)域，利用一個過孔將其連接起來，以模擬法拉第籠。所有高di/dt環(huán)路布置在PCB的內(nèi)層，所以法拉第籠就能夠屏蔽電磁場，防止向外輻射。該方法成本較低，通常足以抑制EMI。圖10為該技術(shù)的示意圖。

圖10：多層PCB板的法拉第屏蔽。

實施這些PCB布局的最佳實踐提供了EMI合規(guī)性的合理途徑，不會因為需要減慢開關(guān)信號沿而犧牲電源轉(zhuǎn)換器效率。

現(xiàn)在，我們以Maxim的喜馬拉雅MAX17502寬輸入范圍IC為例，器件工作在4.5-60Vin、0.9-54Vout，提供1A負載電流。以下為MAX17502EMI評估板PCB的布局，采用了法拉第屏蔽技術(shù)(b)。圖11a所示為頂層和底層，用作法拉第屏蔽；圖11b所示為內(nèi)部第二層和第三層，用于布線。這里的第二層用作額外屏蔽，也可用于布線。該布局中，高di/dt電流環(huán)路I1和I2布置在第三層，被完整籠罩在法拉第屏蔽中。

圖11a：用作法拉第屏蔽的頂層和底層。

圖11b：第二和第三(內(nèi))層，高di/dt環(huán)路布置在第三層。

以下為MAX17502EMI評估板的EMI測試結(jié)果，以非常好的裕量通過了CISPR22標(biāo)準(zhǔn)B類要求。

圖12：MAX17502EMI評估板傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果。左：準(zhǔn)峰值；右：平均值。

圖13：MAX17502EMI評估板輻射EMI測試結(jié)果。

低EMI功率元件

輸出電感的磁場也會產(chǎn)生輻射，引起EMI問題。使用低EMI電感可降低輻射的EMI。建議使用屏蔽電感。這種電感具有磁場屏蔽，被約束在電感結(jié)構(gòu)內(nèi)部。避免使用磁能自由輻射的電感類型。采用屏蔽電感以及實施良好PCB布局實踐的電源模塊將呈現(xiàn)良好的EMI性能。

低EMI電源穩(wěn)壓器和模塊

Maxim的喜馬拉雅穩(wěn)壓器和電源模塊家族采用低EMI功率電感和良好的PCB布局實踐，提供固有低EMI電源方案。使用喜馬拉雅方案意味著您無需擔(dān)心合規(guī)性，與市場上的其他單純開關(guān)形成鮮明對比。Maxim的IC、模塊以及示例參考布局已經(jīng)完成了全部工作，您能夠以最優(yōu)成本通過CISPR22(EN55022)標(biāo)準(zhǔn)要求。以下為MAXM17575例子的EMI測試結(jié)果以及輸入EMI濾波器信息：

EMI濾波器配置傳導(dǎo)EMI測試

圖14：用于傳導(dǎo)EMI試驗的MAXM17575評估板EMI濾波器配置。

圖15：MAXM17575評估板傳導(dǎo)EMI測試結(jié)果。藍色：準(zhǔn)峰值；綠色：平均值

EMI濾波器配置輻射EMI測試

圖16：用于輻射EMI試驗的MAXM17575評估板EMI濾波器配置。

MAXM17575本質(zhì)上具有極低的輻射EMI。對于輻射測試，傳導(dǎo)EMI測試中所示的輸入濾波器不需要也沒有使用。使用輸入濾波器能夠為輻射測試提供更大的裕量。

圖17：MAXM17575評估板輻射EMI測試結(jié)果。

總結(jié)

提前規(guī)劃系統(tǒng)的EMI合規(guī)性對于項目成功至關(guān)重要。本文討論了最大程度降低EMI的常見技術(shù)，還提供關(guān)于電源濾波設(shè)計、良好PCB布局、屏蔽實踐的指南以及實踐示例。精心規(guī)劃的設(shè)計應(yīng)使用正確的濾波器、低EMIPMIC/元件以及/或者低EMI電源模塊，再加上良好的PCB布局和屏蔽技術(shù)，這樣將能夠保證大概率一次性成功。