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降低開關(guān)電源EMI的PCB設(shè)計方法
開關(guān)模式電源是AC-DC或DC-DC電源的通用術(shù)語，這些電源使用具有快速開關(guān)動作的電路進行電壓轉(zhuǎn)換/轉(zhuǎn)換（降壓或升壓）。隨著每天開發(fā)出更多的設(shè)備（潛在的EMI受害者），克服EMI成為工程師面臨的主要挑戰(zhàn)，并且實現(xiàn)電磁兼容性（EMC）與使設(shè)備正常運行同等重要。如何降低開關(guān)電源EMI輻射問題，下面介紹這些能降低EMI的PCB設(shè)計。
開關(guān)電源中的EMI來源
解決任何EMI問題通常需要了解干擾源，與其他電路（受害者）的耦合路徑以及對性能造成負(fù)面影響的受害者的性質(zhì)。在產(chǎn)品開發(fā)期間，通常幾乎不可能確定EMI對潛在受害者的影響，因此，EMI控制工作通常集中在最小化排放源（或降低磁化率）和消除/減少耦合路徑上。
開關(guān)電源電源中EMI的主要來源可以追溯到其固有的PCB設(shè)計性質(zhì)和開關(guān)特性。在從AC-DC或DC-DC轉(zhuǎn)換的過程中，開關(guān)電源中的MOSFET開關(guān)組件在高頻下導(dǎo)通或關(guān)斷都會產(chǎn)生錯誤的正弦波（方波），傅立葉級數(shù)可將其描述為許多具有諧波相關(guān)頻率的正弦波的總和。開關(guān)動作產(chǎn)生的諧波的完整傅立葉頻譜變成了EMI，從電源傳輸?shù)皆O(shè)備中的其他電路，以及附近容易受到這些頻率影響的電子設(shè)備。
除了開關(guān)噪聲之外，開關(guān)電源的另一個EMI來源是快速電流（dI / dt）和電壓（dV / dt）轉(zhuǎn)換（這也與開關(guān)有關(guān)）。根據(jù)麥克斯韋方程，這種交流電和電壓會產(chǎn)生交變電磁場，盡管該場的大小會隨著距離的增加而減小，但它會與導(dǎo)電部件（如PCB上的銅走線）相互作用，它們就像天線一樣，在線路上產(chǎn)生額外的噪聲，導(dǎo)致EMI。
現(xiàn)在，直到源極的EMI耦合到相鄰的電路或設(shè)備（受害者）之前，它的危險性（有時）才變得如此危險，因此，通過消除/最小化潛在的耦合路徑，通常可以降低EMI。正如“ EMI簡介 ”一文中討論的那樣，EMI耦合通常通過以下方式發(fā)生：傳導(dǎo)（通過不需要的/改變用途的路徑或所謂的“隱身電路”），感應(yīng)（通過電感性或電容性元件（如變壓器）進行耦合）和輻射（空中傳輸）。
通過了解這些耦合路徑以及它們?nèi)绾斡绊戦_關(guān)模式電源中的EMI，PCB設(shè)計人員可以以使耦合路徑的影響最小化和減少干擾傳播的方式創(chuàng)建他們的系統(tǒng)。
不同類型的EMI耦合機制
我們將研究與開關(guān)電源相關(guān)的每種耦合機制，并建立引起它們存在的開關(guān)電源PCB設(shè)計要素。
開關(guān)電源中的輻射EMI：
當(dāng)源和受體（受害人）充當(dāng)無線電天線時，就會發(fā)生輻射耦合。源輻射電磁波，該電磁波在源與受害者之間的開放空間中傳播。在開關(guān)電源中，輻射EMI傳播通常與具有高di / dt的開關(guān)電流相關(guān)，這是由于不良的PCB設(shè)計布局以及存在會引起漏感的布線習(xí)慣而導(dǎo)致存在具有快速電流上升時間的環(huán)路而加劇的。
考慮下面的電路；
電路中快速的電流變化除了正常的電壓輸出（Vmeas）外，還會產(chǎn)生一個噪聲電壓（Vnoise）。耦合機制類似于變壓器的操作，因此Vnoise由等式給出；
V 噪聲 = R M /（R S + R M）* M * di / dt
M / K是耦合因子，它取決于磁環(huán)路的距離，面積和方向，以及所討論的環(huán)路之間的磁吸收，就像在變壓器中一樣。因此，在考慮較差的回路方向和較大的電流回路面積的PCB布局中，往往會出現(xiàn)較高水平的輻射EMI。
開關(guān)電源中的傳導(dǎo)EMI：
當(dāng)EMI輻射沿著將EMI源和接收器連接在一起的導(dǎo)體（電線，電纜，外殼和PCB上的銅走線）通過時，就會發(fā)生傳導(dǎo)耦合。以這種方式耦合的EMI在電源線上很常見，并且在H場組件上通常很重。
開關(guān)電源中的傳導(dǎo)耦合是共模傳導(dǎo)（在+ ve和GND線上出現(xiàn)同相干擾）或差分模式（在兩個導(dǎo)體上出現(xiàn)異相）。
共模傳導(dǎo)發(fā)射通常是由寄生電容（如散熱器和變壓器的寄生電容）以及電路板布局以及開關(guān)兩端的開關(guān)電壓波形引起的。
另一方面，差模傳導(dǎo)發(fā)射是開關(guān)動作的結(jié)果，該開關(guān)動作導(dǎo)致輸入端出現(xiàn)電流脈沖并產(chǎn)生開關(guān)尖峰，從而導(dǎo)致差分噪聲的存在。
開關(guān)電源中的感應(yīng)EMI：
感應(yīng)耦合時，有一個電（由于電容耦合）或磁（由于電感耦合）的源極與受害者之間EMI感應(yīng)發(fā)生。當(dāng)兩個相鄰導(dǎo)體之間存在變化的電場時，會發(fā)生電耦合或電容耦合，從而在它們之間的間隙上引起電壓變化；而當(dāng)兩個平行導(dǎo)體之間存在變化的磁場時，會發(fā)生磁耦合或電感耦合。沿接收導(dǎo)體的電壓。
綜上所述，雖然開關(guān)電源中主要的EMI來源是高頻開關(guān)動作以及由此產(chǎn)生的快速di / dt或dv / dt瞬態(tài)，但使能器有利于將產(chǎn)生的EMI傳播/擴散到同一板上的潛在受害者。 （或外部系統(tǒng)）是由不良的組件選擇，不良的PCB設(shè)計布局以及電流路徑中存在雜散電感/電容引起的因素。
降低開關(guān)電源中EMI的PCB設(shè)計技術(shù)
在閱讀本節(jié)之前，盡量先了解一下EMI / EMC周圍的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，以提醒設(shè)計目標(biāo)是什么。盡管地區(qū)之間的標(biāo)準(zhǔn)有所不同，但是由于協(xié)調(diào)一致，最普遍接受的兩個標(biāo)準(zhǔn)在大多數(shù)地區(qū)都可以接受認(rèn)證；FCC EMI控制法規(guī)和CISPR 22（國際無線電干擾特別委員會（CISPR）第三版，出版物22）。我們在前面討論的EMI標(biāo)準(zhǔn)文章中總結(jié)了這兩個標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜細(xì)節(jié)。
通過EMC認(rèn)證過程或僅要確保您的設(shè)備在其他設(shè)備周圍正常運行時，要求您將排放水平保持在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的值以下。
存在許多減輕開關(guān)電源中EMI的PCB設(shè)計方法，我們將嘗試一一介紹。
1.線性化
坦白地說，如果您的應(yīng)用程序能夠承受（體積大且效率低的特性），則可以使用線性電源來為自己節(jié)省很多與電源相關(guān)的EMI壓力。它們不會產(chǎn)生明顯的EMI，并且不會花費那么多的時間和金錢來開發(fā)。就其效率而言，即使它可能無法與開關(guān)電源相提并論，您仍然可以通過使用LDO線性穩(wěn)壓器來獲得合理的效率水平。
2.使用電源模塊
有時遵循實踐來獲得良好的EMI性能可能不夠好。在您似乎找不到時間或其他資源來調(diào)諧并獲得EMI結(jié)果的情況下，通常可行的一種方法是切換到電源模塊。
電源模塊并不是完美的，但它們做得很好可以確保您不會陷入常見EMI陷阱的陷阱，例如不良的PCB設(shè)計布局和寄生電感/電容。市場上一些的電源模塊已經(jīng)滿足了克服EMI的需求，并被設(shè)計為可以開發(fā)具有良好EMI性能的快速簡便的電源。村田制作所，Recom，Mornsun等制造商擁有各種各樣的開關(guān)電源模塊，這些模塊已經(jīng)為我們解決了EMI和EMC問題。
例如，它們通常具有大多數(shù)組件，例如電感器，它們內(nèi)部連接在封裝內(nèi)部，因此，模塊內(nèi)部存在很小的環(huán)路面積，從而降低了輻射EMI。一些模塊甚至可以屏蔽電感器和開關(guān)節(jié)點，以防止線圈產(chǎn)生輻射EMI。
3.屏蔽
降低EMI的蠻力機制是用金屬屏蔽開關(guān)電源。這是通過將噪聲產(chǎn)生源放置在電源中的接地導(dǎo)電（金屬）外殼內(nèi)來實現(xiàn)的，與外部電路的僅有接口是通過串聯(lián)濾波器。
但是，屏蔽會增加項目的材料成本和PCB尺寸，因此，對于具有低成本目標(biāo)的項目而言，這可能不是一個好主意。
4.布局優(yōu)化
PCB設(shè)計布局被認(rèn)為是促進EMI在電路中傳播的主要問題之一。這就是為什么在開關(guān)電源中降低EMI的普遍而通用的技術(shù)之一是布局優(yōu)化。這有時是一個相當(dāng)模糊的術(shù)語，因為它可能意味著不同的事情，從消除寄生組件到將噪聲節(jié)點與噪聲敏感節(jié)點分離，以及減小電流環(huán)路面積等。
開關(guān)電源設(shè)計的一些布局優(yōu)化技巧包括：
保護對噪聲敏感的節(jié)點免受嘈雜節(jié)點的影響
可以通過將它們放置在盡可能遠(yuǎn)的位置以防止它們之間發(fā)生電磁耦合來實現(xiàn)。下表提供了一些噪聲敏感和嘈雜節(jié)點的示例；
PCB上的銅走線充當(dāng)輻射EMI的天線，因此，防止直接連接到噪聲敏感節(jié)點的走線獲得輻射EMI的方法之一是通過將它們所移到的組件保持盡可能短來實現(xiàn)。盡可能緊密地連接。例如，來自電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的長走線會饋入反饋（FB）引腳，該走線可以充當(dāng)天線并拾取周圍的輻射EMI。反饋到反饋引腳的噪聲會在系統(tǒng)輸出端引入額外的噪聲，從而使器件的性能不穩(wěn)定。
減少臨界（天線）環(huán)路面積
帶有開關(guān)波形的走線/導(dǎo)線應(yīng)盡可能靠近。
輻射EMI與電流（I）的大小和流過的環(huán)路面積（A）成正比，因此，通過減小電流/電壓的面積，我們可以降低輻射EMI的水平。對電源線執(zhí)行此操作的一種好方法是將電源線和返回路徑彼此重疊放置在PCB的相鄰層上。
最小化雜散電感
可以通過增加 PCB上走線（電源線）的尺寸并將其平行于其返回路徑布線以減小走線的電感，來減小線環(huán)的阻抗（這會導(dǎo)致輻射EMI與面積成正比）。。
接地線
位于PCB外表面的完整接地平面為EMI提供了最短的返回路徑，尤其是當(dāng)它直接位于EMI源下方時，它可以顯著抑制輻射EMI。但是，如果允許其他走線切穿地平面，則可能會成為問題。切口可能會增加有效環(huán)路面積，并導(dǎo)致明顯的EMI級別，因為返回電流必須找到一條較長的路徑來繞過切口，以返回電流源。
篩選器
EMI濾波器對于電源來說是必不可少的，特別是對于降低傳導(dǎo)EMI而言。它們通常位于電源的輸入和/或輸出處。在輸入端，它們有助于濾除市電噪聲，在輸出端，可以防止電源噪聲影響電路的其余部分。
在減輕傳導(dǎo)EMI的EMI濾波器設(shè)計中，通常重要的是將共模傳導(dǎo)發(fā)射與差模發(fā)射分開對待，因為用于解決這些問題的濾波器參數(shù)是不同的。
對于差模傳導(dǎo)EMI濾波，輸入濾波器通常由電解電容器和陶瓷電容器組成，以在較低的基本開關(guān)頻率和較高的諧波頻率下有效衰減差分模式電流。在需要進一步抑制的情況下，在輸入端串聯(lián)一個電感，以形成一個單級LC低通濾波器。
對于共模傳導(dǎo)EMI濾波，可通過在電源線（輸入和輸出）與地之間連接旁路電容器來有效地實現(xiàn)濾波。在需要進一步衰減的情況下，可將耦合扼流電感器與電源線串聯(lián)添加。
通常，濾波器設(shè)計在選擇組件時應(yīng)考慮最壞情況。例如，高輸入電壓時共模EMI最高，而低電壓和高負(fù)載電流時差模EMI最高。
結(jié)論
在設(shè)計開關(guān)電源時通常考慮到上述所有要點，這實際上是將EMI緩解稱為“黑暗技術(shù)”的原因之一，但是隨著您對它的適應(yīng)，它們已成為第二自然。 。
得益于物聯(lián)網(wǎng)和技術(shù)的不同進步，電磁兼容性以及每臺設(shè)備在正常運行條件下正常運行而不影響附近其他設(shè)備運行的總體能力比以往任何時候都更加重要。設(shè)備必須不易受到附近有意或無意來源的EMI的影響，并且同時還必須輻射（有意或無意）干擾水平，以免導(dǎo)致其他設(shè)備發(fā)生故障。
出于與成本相關(guān)的原因，在開關(guān)電源PCB設(shè)計的早期階段考慮EMC是很重要的。同樣重要的是要考慮將電源連接到主設(shè)備會如何影響兩個設(shè)備中的EMI動態(tài)，因為在大多數(shù)情況下，尤其是對于嵌入式開關(guān)電源，電源將與設(shè)備一起作為一個單元進行認(rèn)證，并且任何失效都將通過認(rèn)證。兩者都可能導(dǎo)致失敗。
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