如何分析与优化设计DC-DC 开关电源EMI问题

电磁兼容性（EMC）是指设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力，电磁兼容（EMC）包含电磁干扰（EMI）和电磁抗扰度（EMS）。其包含的测试项目如图1所示。



图1  EMC测试项

电磁干扰限制可分为两个基本应用范畴：
• A类：适用于商业或工业装置环境，相应限制较为轻松。
• B类：适用于家用或住宅装置，相应限制较为严格。

B类限制约比A类限制低10dB，即发射振幅之比约为1:3(20×log(3)≈10dB)。市场销售的产品还需要满足一些重要的安规标准。在许多国家，电磁兼容标准和安规标准统一用一个区域认证标志来表示，如CE标志即欧洲认证标志，CCC标志即中国强制认证标志。该标志表示产品符合电磁兼容标准和安规标准。

历史上普遍接受的国际电磁干扰标准是CISPR-22，美国的电磁干扰标准是FCC，CISPR-22与FCC有所不同，但一般来说如果电源符合CISPR-22标准，那么它也符合FCC标准。总之CISPR-22标准已经成为全世界都遵守的基本标准。汽车上的电磁干扰标准是CISPR-25，相对CISPR22来说CISPR-25标准限制值更低并且额外对FM频段做了很严的限制要求。具体传导测试限制要求如图2所示。


图2  传导测试标准

如图3所示电磁干扰的辐射测试普遍采用天线接收法测试，相比于CISPR22来说CISPR25额外增加了150KHz ~ 30MHz的辐射测试，这部分测试频段覆盖了DCDC的工作频率范围，是辐射测试的难点。另外CISPR-25辐射测试采用1M法天线距离更近，测试接收的信号更强。


图3  辐射测试标准

对于设备来说DCDC开关电源是最常见的噪声源，而通常又不易受干扰，所以DCDC的EMC问题主要就是EMI问题。以Buck电源为例，DCDC芯片开关过程中产生电压和电流的变化，包含了较快的di/dt和dv/dt噪声分量，其开关噪声不仅包含开关次和倍频频率段的噪声，另外其开关速度越低，高频噪声分量衰减越大。噪声分为差模噪声和共模噪声，差模噪声是LN线之间的电位差，共模噪声是待测零部件的LN线和参考地之间的电位差。DCDC电源EMI主要来源于电流和电压跳变，通过共模和差模的形式耦合到接收器上。

如图4所示是Buck开关电源的噪声产生和耦合路径，从传导路径来说开关节点产生的差模干扰通过输入电容滤波后会直接传到输入端，共模干扰通过开关节点对地的耦合再通过LISN端检测到。从辐射的路径来看主要是差模的功率电流回路产生的，当然共模干扰也会产生部分辐射干扰。因此在设计电路时减小功率开关电流回路对传导辐射干扰有很大的帮助。


图4  DCDC噪声源及耦合路径

既然有了上面对EMI产生的原因分析，我们就可以按照如下几点对EMI进行优化：
• 输入端增加EMI滤波器
EMI滤波器可以抑制流经LISN的差模和共模电流，这在传导测试中尤其关键，根据对噪声的大小的衰减比例可以计算出EMI滤波器的参数大小。常见的EMI滤波器参数如图5所示。


图5  常见EMI滤波器设计参数

• 输入输出电容位置要靠近芯片放置
在功率开关回路中di/dt环路会产生磁场，并且磁场强度与电流和环路面积成正比关系。减小环路面积能大幅度减小对外辐射。如图6所示通过将输入电容C2靠近芯片可以显著减小磁场辐射程度。


图6  输入电容位置对EMI的影响

• LC滤波器要与远离DCDC高频电流环路
所有的LC滤波器都是以电感结束，并且要远离DCDC的高频环路。防止电流环路的近场磁场效应对输入滤波器的影响。

• 对称设计芯片和对称电容设计
如图7所示，对称电容设计能明显抵消磁场，如果电容集成到芯片内部的话对传导和辐射的高频干扰都能起到极大的抑制作用，MPS的MPQ4491M就是一款高度集成的车载充电芯片方案，内部集成了电容，具有良好的EMI性能。


图7  对称电容设计

• 改用一体成型电感
环形电感的漏磁较大，体积也比较大，对大地也有比较大的耦合电容，因此其对外的辐射更大，如图8所示将环形电感替换为贴片电感后整体的EMI就会下降很多。


图8  环形电感对EMI的影响

浅谈开关电源的EMI的相关问题
https://www.elecfans.com/d/784819.html
二极管、高频变压器等，外部环境对开关电源的干扰主要来自电网的抖动、雷击、外界辐射等。        （1）功率开关管工作在On-Off快速循环转换的状态，dv/dt和di/dt都在急剧变换，因此，功率开关管既是电场耦合的主要干扰源，也是磁场耦合的主要干扰源。
        （2）的EMI来源集中体现在漏感对应的di/dt快速循环变换，因此高频变压器是磁场耦合的重要干扰源。
        （3）的EMI来源集中体现在反向恢复特性上，反向恢复电流的断续点会在电感（引线电感、杂散电感等）产生高dv/dt，从而导致强电磁干扰。
        （4）PCB：准确的说，PCB是上述干扰源的耦合通道，PCB的优劣，直接对应着对上述EMI源抑制的好坏。
        
        2.开关电源EMI传输通道分类
        （一）。 传导干扰的传输通道
        （1）容性耦合 （2）感性耦合 （3）电阻耦合
        a.公共电源内阻产生的电阻传导耦合 b.公共地线阻抗产生的电阻传导耦合 c.公共线路阻抗产生的电阻传导耦合
        （二）。 辐射干扰的传输通道
        （1）在开关电源中，能构成辐射干扰源的元器件和导线均可以被假设为天线，从而利用电偶极子和磁偶极子理论进行分析;二极管、电容、功率开关管可以假设为电偶极子，电感线圈可以假设为磁偶极子;
        （2）没有屏蔽体时，电偶极子、磁偶极子，产生的电磁波传输通道为空气（可以假设为自由空间）; （3）有屏蔽体时，考虑屏蔽体的缝隙和孔洞，按照泄漏场的数学模型进行分析处理。
        3.开关电源EMI抑制的9大措施
        在开关电源中，电压和电流的突变，即高dv/dt和di/dt，是其EMI产生的主要原因。实现开关电源的EMC设计技术措施主要基于以下两点：
        （1）尽量减小电源本身所产生的干扰源，利用抑制干扰的方法或产生干扰较小的元器件和电路，并进行合理**二手机器人
        （2）通过接地、滤波、屏蔽等技术抑制电源的EMI以及提高电源的EMS。
        分开来讲，9大措施分别是：
        （1）减小dv/dt和di/dt（降低其峰值、减缓其斜率） （2）压敏电阻的合理应用，以降低浪涌电压 （3）阻尼网络抑制过冲 （4）采用软恢复特性的二极管，以降低高频段EMI （5）有源功率因数校正，以及其他谐波校正技术 （6）采用合理设计的电源线滤波器 （7）合理的接地处理 （8）有效的屏蔽措施 （9）合理的PCB设计 。
        
开关电源的emi干扰源集中体现在功率开关管、整流

这个问题牵扯到的方面很广！

提升EMI性能的PCB布局优化

谢谢分享，学习了