【導(dǎo)讀】工業(yè)、汽車與個(gè)人計(jì)算應(yīng)用中的電子系統(tǒng)愈發(fā)密集且互相連接。為了改善這類系統(tǒng)的尺寸和功能，因此在封裝各種不同電路時(shí)皆采取近封裝距離。有鑒于前述限制，降低電磁干擾(EMI)影響也逐漸成為重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮。
圖1所示的車用攝影機(jī)模塊就是這類多功能系統(tǒng)其中一個(gè)范例，該模塊內(nèi)的兩百萬像素成像組件、4Gbps的串聯(lián)器及四通道電源管理IC(PMIC)皆以近距離封裝在一起。如此會使復(fù)雜度和密度隨之提升并帶來副作用，也就是使成像組件與信號處理組件緊鄰PMIC，而PMIC帶有高電流與電壓。除非在設(shè)計(jì)期間能夠小心留意，否則前述的配置方式勢必會導(dǎo)致一系列電路對敏感組件的功能造成EMI。
圖1：車用攝影機(jī)模塊
EMI可能會以兩種方式顯現(xiàn)。例如連接相同電源供應(yīng)器的無線電和電機(jī)鉆就是一例，如圖2所示。在本例中，敏感無線電系統(tǒng)的運(yùn)作會透過傳導(dǎo)方式受到電機(jī)影響，因?yàn)檫@兩者共享相同的電源插座。電機(jī)也會透過電磁輻射對無線電的功能造成影響，因?yàn)榍笆鲭姶泡椛鋾高^空氣耦合，并受到無線電天線接收。
終端設(shè)備制造商整合不同來源的組件時(shí)，唯一能確保干擾電路和敏感電路可和平共存并正確運(yùn)作的方法，就是建立一套共享規(guī)則，針對干擾電路設(shè)定干擾程度的限制，且敏感電路必須能夠處理該程度的干擾。
圖2：透過傳導(dǎo)和電磁方式造成的EMI。
共享EMI標(biāo)準(zhǔn)
用于限制干擾的規(guī)定采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格建立，例如適用汽車產(chǎn)業(yè)的國際無線電干擾特別委員會(CISPR) 25，以及適用多媒體設(shè)備的CISPR 32。CISPR標(biāo)準(zhǔn)是EMI設(shè)計(jì)的重要關(guān)鍵，因其可決定任何EMI降低技術(shù)的目標(biāo)性能。CISPR標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)干擾模式分類為傳導(dǎo)式限制和輻射式限制，如圖3所示。圖3圖表中的長條代表最大的傳導(dǎo)式和輻射式排放限制，這是使用標(biāo)準(zhǔn)EMI測量設(shè)備進(jìn)行測量時(shí)，受測設(shè)備所能容許的上限。
圖3：傳導(dǎo)式和輻射式EMI的一般標(biāo)準(zhǔn)
EMI的成因
若要建立兼容于EMI標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，需要清楚了解EMI的主要成因?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)中，最常見的電路之一就是硬式切換電源供應(yīng)器(SMPS)，可在多數(shù)應(yīng)用中透過線性穩(wěn)壓器大幅提升效率。但這樣的效率必須付出代價(jià)，因在SMPS中切換功率場效應(yīng)晶體管，會使其成為主要EMI來源。
如圖4所示，在SMPS中進(jìn)行切換的本質(zhì)，會導(dǎo)致產(chǎn)生非連續(xù)輸入電流、在切換節(jié)點(diǎn)的高邊緣速率，以及電源回路中因寄生電感而在切換邊緣產(chǎn)生的其他振鈴。非連續(xù)電流會影響< 30MHz頻段的EMI，而在切換節(jié)點(diǎn)的高邊緣速率以及振鈴則會影響30~100MHz頻段的EMI，以及> 100MHz頻段的EMI。
圖4：SMPS運(yùn)作期間的主要EMI來源
降低EMI的傳統(tǒng)和進(jìn)階技術(shù)
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要使用兩種方法降低切換轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的EMI，而兩種方法都會造成相關(guān)的損失。為了處理低頻率(< 30MHz)排放并符合適用標(biāo)準(zhǔn)，會在切換轉(zhuǎn)換器的輸入處放置大型被動濾波器，造成解決方案更為昂貴、功率密度更低。
而一般降低高頻率排放的方式，則是透過有效的柵極驅(qū)動器設(shè)計(jì)來降低切換邊緣速率。雖然這么做有助降低> 30MHz頻段的EMI，但是降低的邊緣速率會導(dǎo)致切換損失增加，進(jìn)而使解決方案的效率降低。換句話說，為了實(shí)現(xiàn)低EMI的解決方案，注定需在功率密度和效率上做出取舍。
為了免除取舍的需要并且一并獲得高功率密度、高效率，以及低EMI的優(yōu)勢，TI在設(shè)計(jì)LM25149-Q1、LM5156-Q1和LM62440-Q1等切換轉(zhuǎn)換器和控制器時(shí)，加入了多種技術(shù)，如圖5所示。前述技術(shù)包含展頻、主動EMI濾波、抵銷線圈、封裝創(chuàng)新、整合式輸入旁路電容及真實(shí)電壓轉(zhuǎn)換率控制方法等，且這些技術(shù)都經(jīng)過設(shè)計(jì)，針對所需的特定頻段量身打造。
圖5：TI的功率轉(zhuǎn)換器和控制器為了大幅降低EMI而采用的技術(shù)
結(jié)論
設(shè)計(jì)低EMI可顯著縮短開發(fā)周期時(shí)間，并可減少機(jī)板面積和解決方案成本。TI提供多種可降低EMI的功能與技術(shù)。以TI經(jīng)過EMI優(yōu)化的電源管理產(chǎn)品來運(yùn)用不同技術(shù)組合，可確保使用TI組件的設(shè)計(jì)通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)而無需過多重做。
隨著時(shí)代的發(fā)展，越來越多的電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)品都需要進(jìn)行檢驗(yàn)檢測，其中EMC測試是必備的檢驗(yàn)檢測指標(biāo)之一。但EMC測試項(xiàng)目費(fèi)用較貴，EMC實(shí)驗(yàn)室造價(jià)昂貴，絕大部分測量設(shè)備又需要采用進(jìn)口設(shè)備，導(dǎo)致很少檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)有能力建造EMC實(shí)驗(yàn)室。產(chǎn)品的EMC性能是設(shè)計(jì)階段賦予的，一般電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)如果不考慮EMC因素，就會很容易導(dǎo)致EMC測試失敗，以致不能通過相關(guān)EMC法規(guī)的測試或認(rèn)證。例如，產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)工程師們根據(jù)需求，設(shè)計(jì)出效果良好的濾波電路，置入產(chǎn)品I/O(輸入/輸出）接口的前級，可使因傳導(dǎo)而進(jìn)入系統(tǒng)的干擾噪聲消除在電路系統(tǒng)的入口處；設(shè)計(jì)出隔離電路（如變壓器隔離和光電隔離等）解決通過電源線、信號線和地線進(jìn)入電路的傳導(dǎo)干擾，同時(shí)阻止因公共阻抗、長線傳輸而引起的干擾；設(shè)計(jì)出能量吸收回路，從而減少電路、器件吸收的噪聲能量；通過選擇元器件和合理安排的電路系統(tǒng)，使干擾的影響減少。
EMC技能:整改小技巧
1、150kHz-1MHz，以差模為主，1MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz 以后基本上是共模。差模干擾的分容性藕合和感性藕合。一般1MHz以上的干擾是共模，低頻段是差摸干擾。用一個(gè)電阻串個(gè)電容后再并到Y(jié)電容的引腳上，用示波器測電阻兩引腳的電壓可以估測共模干擾。
2、保險(xiǎn)過后加差模電感或電阻。
3、小功率電源可采用PI型濾波器處理(建議靠近變壓器的電解電容可選用較大些)。
4、前端的π型EMI零件中差模電感只負(fù)責(zé)低頻EMI，體積別選太大(DR8太大，能用電阻型式或DR6更好)否則幅射不好過，必要時(shí)可串磁珠，因?yàn)楦哳l會直接飛到前端不會跟著線走。5、傳導(dǎo)冷機(jī)時(shí)在0.15MHz-1MHz超標(biāo)，熱機(jī)時(shí)就有7dB余量。主要原因是初級BULk電容DF值過大造成的，冷機(jī)時(shí)ESR比較大，熱機(jī)時(shí)ESR比較小，開關(guān)電流在ESR上形成開關(guān)電壓，它會壓在一個(gè)電流LN線間流動，這就是差模干擾。解決辦法是用ESR低的電解電容或者在兩個(gè)電解電容之間加一個(gè)差模電感。
6、測試150kHz總超標(biāo)的解決方案：加大X電容看一下能不能下來，如果下來了說明是差模干擾。如果沒有太大作用那么是共模干擾，或者把電源線在一個(gè)大磁環(huán)上繞幾圈， 下來了說明是共模干擾。如果干擾曲線后面很好，就減小Y電容，看一下布板是否有問題，或者就在前面加磁環(huán)。
7、可以加大PFC輸入部分的單繞組電感的電感量。
8、PWM線路中的元件將主頻調(diào)到60kHz左右。
9、用一塊銅皮緊貼在變壓器磁芯上。
10、共模電感的兩邊感量不對稱，有一邊匝數(shù)少一匝也可引起傳導(dǎo)150kHz-3MHz超標(biāo)。11、一般傳導(dǎo)的產(chǎn)生有兩個(gè)主要的點(diǎn)：200kHz和20MHz左右，這幾個(gè)點(diǎn)也體現(xiàn)了電路的性能;200kHz左右主要是漏感產(chǎn)生的尖刺;20MHz左右主要是電路開關(guān)的噪聲。處理不好變壓器會增加大量的輻射，加屏蔽都沒用，輻射過不了。
12、將輸入BUCk電容改為低內(nèi)阻的電容。
13、對于無Y-CAP電源，繞制變壓器時(shí)先繞初級，再繞輔助繞組并將輔助繞組密繞靠一邊，后繞次級。
14、將共模電感上并聯(lián)一個(gè)幾k到幾十k電阻。
15、將共模電感用銅箔屏蔽后接到大電容的地。
16、在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將共模電感和變壓器隔開一點(diǎn)以免互相干擾。
17、保險(xiǎn)套磁珠。
18、三線輸入的將兩根進(jìn)線接地的Y電容容量從2.2nF減小到471。
19、對于有兩級濾波的可將后級0.22uFX電容去掉(有時(shí)前后X電容會引起震蕩) 。
20、對于π型濾波電路有一個(gè)BUCk電容躺倒放在PCB上且靠近變壓器此電容對傳導(dǎo)150kHz-2MHz的L通道有干擾，改良方法是將此電容用銅泊包起來屏蔽接到地，或者用一塊小的PCB將此電容與變壓器和PCB隔開?；蛘邔⒋穗娙萘⑵饋恚?也可以用一個(gè)小電容代替。
21、對于π型濾波電路有一個(gè)BUCk電容躺倒放在PCB上且靠近變壓器此電容對傳導(dǎo)150kHz-2MHz的L通道有干擾，改良方法是將此電容用一個(gè)1uF/400V或者說0.1uF/400V電容代替， 將另外一個(gè)電容加大。
22、將共模電感前加一個(gè)小的幾百uH差模電感。
23、將開關(guān)管和散熱器用一段銅箔包繞起來，并且銅箔兩端短接在一起，再用一根銅線連接到地。
24、將共模電感用一塊銅皮包起來再連接到地。
25、將開關(guān)管用金屬套起來連接到地。
26、加大X2電容只能解決150kHz左右的頻段，不能解決20MHz以上的頻段，只有在電源輸入加以一級鎳鋅鐵氧體黑色磁環(huán)，電感量約50uH-1mH。
27、在輸入端加大X電容。
28、加大輸入端共模電感。
29、將輔助繞組供電二極管反接到地。
30、將輔助繞組供電濾波電容改用瘦長型電解電容或者加大容量。
31、加大輸入端濾波電容。
32、150kHz-300kHz和20MHz-30MHz這兩處傳導(dǎo)都不過，可在共模電路前加一個(gè)差模電路。也可以看看接地是否有問題，該接地的地方一定要加強(qiáng)接牢，主板上的地線一定要理順，不同的地線之間走線一定要順暢不要互相交錯(cuò)的。
33、在整流橋上并電容，當(dāng)考慮共模成分時(shí)，應(yīng)該鄰角并電容，當(dāng)考慮差模成分時(shí)，應(yīng)該對角并電容。
34、加大輸入端差模電感。
產(chǎn)品電磁兼容騷擾源有：
1、設(shè)備開關(guān)電源的開關(guān)回路：騷擾源主頻幾十kHz到百余kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。
2、設(shè)備直流電源的整流回路：工頻線性電源工頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百kHz；開關(guān)電源高頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)十MHz。
3、電動設(shè)備直流電機(jī)的電刷噪聲：噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。
4、電動設(shè)備交流電機(jī)的運(yùn)行噪聲：高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。
5、變頻調(diào)速電路的騷擾發(fā)射：開關(guān)調(diào)速回路騷擾源頻率從幾十kHz到幾十MHz。
6、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)切換的開關(guān)噪聲：由機(jī)械或電子開關(guān)動作產(chǎn)生的噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。
7、智能控制設(shè)備的晶振及數(shù)字電路電磁騷擾：騷擾源主頻幾十kHz到幾十MHz，高次諧波可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。
8、微波設(shè)備的微波泄漏：騷擾源主頻數(shù)GHz。
9、電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的電磁騷擾發(fā)射：騷擾源主頻幾十kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。
10電視電聲接收設(shè)備的高頻調(diào)諧回路的本振及其諧波：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百M(fèi)Hz，高次諧波可延伸到數(shù)GHz。
11、信息技術(shù)設(shè)備及各類自動控制設(shè)備的數(shù)字處理電路：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百M(fèi)Hz（經(jīng)內(nèi)部倍頻主頻可達(dá)數(shù)GHz），高次諧波可延伸到十幾GHz。
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