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降低開(kāi)關(guān)電源EMI的PCB設(shè)計(jì)方法
開(kāi)關(guān)模式電源是AC-DC或DC-DC電源的通用術(shù)語(yǔ)，這些電源使用具有快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作的電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換/轉(zhuǎn)換（降壓或升壓）。隨著每天開(kāi)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(shí)現(xiàn)電磁兼容性（EMC）與使設(shè)備正常運(yùn)行同等重要。如何降低開(kāi)關(guān)電源EMI輻射問(wèn)題，下面介紹這些能降低EMI的PCB設(shè)計(jì)。
開(kāi)關(guān)電源中的EMI來(lái)源
解決任何EMI問(wèn)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(duì)性能造成負(fù)面影響的受害者的性質(zhì)。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)期間，通常幾乎不可能確定EMI對(duì)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(kāi)關(guān)電源電源中EMI的主要來(lái)源可以追溯到其固有的PCB設(shè)計(jì)性質(zhì)和開(kāi)關(guān)特性。在從AC-DC或DC-DC轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源中的MOSFET開(kāi)關(guān)組件在高頻下導(dǎo)通或關(guān)斷都會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的正弦波（方波），傅立葉級(jí)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(kāi)關(guān)動(dòng)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(kāi)關(guān)噪聲之外，開(kāi)關(guān)電源的另一個(gè)EMI來(lái)源是快速電流（dI / dt）和電壓（dV / dt）轉(zhuǎn)換（這也與開(kāi)關(guān)有關(guān)）。根據(jù)麥克斯韋方程，這種交流電和電壓會(huì)產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，盡管該場(chǎng)的大小會(huì)隨著距離的增加而減小，但它會(huì)與導(dǎo)電部件（如PCB上的銅走線(xiàn)）相互作用，它們就像天線(xiàn)一樣，在線(xiàn)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(xiǎn)性（有時(shí)）才變得如此危險(xiǎn)，因此，通過(guò)消除/最小化潛在的耦合路徑，通常可以降低EMI。正如“ EMI簡(jiǎn)介 ”一文中討論的那樣，EMI耦合通常通過(guò)以下方式發(fā)生：傳導(dǎo)（通過(guò)不需要的/改變用途的路徑或所謂的“隱身電路”），感應(yīng)（通過(guò)電感性或電容性元件（如變壓器）進(jìn)行耦合）和輻射（空中傳輸）。
通過(guò)了解這些耦合路徑以及它們?nèi)绾斡绊戦_(kāi)關(guān)模式電源中的EMI，PCB設(shè)計(jì)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(lèi)型的EMI耦合機(jī)制
我們將研究與開(kāi)關(guān)電源相關(guān)的每種耦合機(jī)制，并建立引起它們存在的開(kāi)關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)要素。
開(kāi)關(guān)電源中的輻射EMI：
當(dāng)源和受體（受害人）充當(dāng)無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)時(shí)，就會(huì)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(kāi)放空間中傳播。在開(kāi)關(guān)電源中，輻射EMI傳播通常與具有高di / dt的開(kāi)關(guān)電流相關(guān)，這是由于不良的PCB設(shè)計(jì)布局以及存在會(huì)引起漏感的布線(xiàn)習(xí)慣而導(dǎo)致存在具有快速電流上升時(shí)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)噪聲電壓（Vnoise）。耦合機(jī)制類(lèi)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(huì)出現(xiàn)較高水平的輻射EMI。
開(kāi)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(xiàn)，電纜，外殼和PCB上的銅走線(xiàn)）通過(guò)時(shí)，就會(huì)發(fā)生傳導(dǎo)耦合。以這種方式耦合的EMI在電源線(xiàn)上很常見(jiàn)，并且在H場(chǎng)組件上通常很重。
開(kāi)關(guān)電源中的傳導(dǎo)耦合是共模傳導(dǎo)（在+ ve和GND線(xiàn)上出現(xiàn)同相干擾）或差分模式（在兩個(gè)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(kāi)關(guān)兩端的開(kāi)關(guān)電壓波形引起的。
另一方面，差模傳導(dǎo)發(fā)射是開(kāi)關(guān)動(dòng)作的結(jié)果，該開(kāi)關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致輸入端出現(xiàn)電流脈沖并產(chǎn)生開(kāi)關(guān)尖峰，從而導(dǎo)致差分噪聲的存在。
開(kāi)關(guān)電源中的感應(yīng)EMI：
感應(yīng)耦合時(shí)，有一個(gè)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(gè)相鄰導(dǎo)體之間存在變化的電場(chǎng)時(shí)，會(huì)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(gè)平行導(dǎo)體之間存在變化的磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)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(kāi)關(guān)電源中主要的EMI來(lái)源是高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)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(kuò)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(jì)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(kāi)關(guān)電源中EMI的PCB設(shè)計(jì)技術(shù)
在閱讀本節(jié)之前，盡量先了解一下EMI / EMC周?chē)臉?biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，以提醒設(shè)計(jì)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(gè)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(guó)際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì)（CISPR）第三版，出版物22）。我們?cè)谇懊嬗懻摰?span>EMI標(biāo)準(zhǔn)文章中總結(jié)了這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜細(xì)節(jié)。
通過(guò)EMC認(rèn)證過(guò)程或僅要確保您的設(shè)備在其他設(shè)備周?chē)＿\(yùn)行時(shí)，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(kāi)關(guān)電源中EMI的PCB設(shè)計(jì)方法，我們將嘗試一一介紹。
1.線(xiàn)性化
坦白地說(shuō)，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(xiàn)性電源來(lái)為自己節(jié)省很多與電源相關(guān)的EMI壓力。它們不會(huì)產(chǎn)生明顯的EMI，并且不會(huì)花費(fèi)那么多的時(shí)間和金錢(qián)來(lái)開(kāi)發(fā)。就其效率而言，即使它可能無(wú)法與開(kāi)關(guān)電源相提并論，您仍然可以通過(guò)使用LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器來(lái)獲得合理的效率水平。
2.使用電源模塊
有時(shí)遵循實(shí)踐來(lái)獲得良好的EMI性能可能不夠好。在您似乎找不到時(shí)間或其他資源來(lái)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(huì)陷入常見(jiàn)EMI陷阱的陷阱，例如不良的PCB設(shè)計(jì)布局和寄生電感/電容。市場(chǎng)上一些的電源模塊已經(jīng)滿(mǎn)足了克服EMI的需求，并被設(shè)計(jì)為可以開(kāi)發(fā)具有良好EMI性能的快速簡(jiǎn)便的電源。村田制作所，Recom，Mornsun等制造商擁有各種各樣的開(kāi)關(guān)電源模塊，這些模塊已經(jīng)為我們解決了EMI和EMC問(wèn)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(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以防止線(xiàn)圈產(chǎn)生輻射EMI。
3.屏蔽
降低EMI的蠻力機(jī)制是用金屬屏蔽開(kāi)關(guān)電源。這是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，與外部電路的僅有接口是通過(guò)串聯(lián)濾波器。
但是，屏蔽會(huì)增加項(xiàng)目的材料成本和PCB尺寸，因此，對(duì)于具有低成本目標(biāo)的項(xiàng)目而言，這可能不是一個(gè)好主意。
4.布局優(yōu)化
PCB設(shè)計(jì)布局被認(rèn)為是促進(jìn)EMI在電路中傳播的主要問(wèn)題之一。這就是為什么在開(kāi)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(shí)是一個(gè)相當(dāng)模糊的術(shù)語(yǔ)，因?yàn)樗赡芤馕吨煌氖虑椋瑥南纳M件到將噪聲節(jié)點(diǎn)與噪聲敏感節(jié)點(diǎn)分離，以及減小電流環(huán)路面積等。
開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的一些布局優(yōu)化技巧包括：
保護(hù)對(duì)噪聲敏感的節(jié)點(diǎn)免受嘈雜節(jié)點(diǎn)的影響
可以通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)。下表提供了一些噪聲敏感和嘈雜節(jié)點(diǎn)的示例；
PCB上的銅走線(xiàn)充當(dāng)輻射EMI的天線(xiàn)，因此，防止直接連接到噪聲敏感節(jié)點(diǎn)的走線(xiàn)獲得輻射EMI的方法之一是通過(guò)將它們所移到的組件保持盡可能短來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡可能緊密地連接。例如，來(lái)自電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)走線(xiàn)會(huì)饋入反饋（FB）引腳，該走線(xiàn)可以充當(dāng)天線(xiàn)并拾取周?chē)妮椛?span>EMI。反饋到反饋引腳的噪聲會(huì)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(xiàn)）環(huán)路面積
帶有開(kāi)關(guān)波形的走線(xiàn)/導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)盡可能靠近。
輻射EMI與電流（I）的大小和流過(guò)的環(huán)路面積（A）成正比，因此，通過(guò)減小電流/電壓的面積，我們可以降低輻射EMI的水平。對(duì)電源線(xiàn)執(zhí)行此操作的一種好方法是將電源線(xiàn)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(guò)增加 PCB上走線(xiàn)（電源線(xiàn)）的尺寸并將其平行于其返回路徑布線(xiàn)以減小走線(xiàn)的電感，來(lái)減小線(xiàn)環(huán)的阻抗（這會(huì)導(dǎo)致輻射EMI與面積成正比）。。
接地線(xiàn)
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(shí)，它可以顯著抑制輻射EMI。但是，如果允許其他走線(xiàn)切穿地平面，則可能會(huì)成為問(wèn)題。切口可能會(huì)增加有效環(huán)路面積，并導(dǎo)致明顯的EMI級(jí)別，因?yàn)榉祷仉娏鞅仨氄业揭粭l較長(zhǎng)的路徑來(lái)繞過(guò)切口，以返回電流源。
篩選器
EMI濾波器對(duì)于電源來(lái)說(shuō)是必不可少的，特別是對(duì)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(jì)中，通常重要的是將共模傳導(dǎo)發(fā)射與差模發(fā)射分開(kāi)對(duì)待，因?yàn)橛糜诮鉀Q這些問(wèn)題的濾波器參數(shù)是不同的。
對(duì)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(kāi)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(jìn)一步抑制的情況下，在輸入端串聯(lián)一個(gè)電感，以形成一個(gè)單級(jí)LC低通濾波器。
對(duì)于共模傳導(dǎo)EMI濾波，可通過(guò)在電源線(xiàn)（輸入和輸出）與地之間連接旁路電容器來(lái)有效地實(shí)現(xiàn)濾波。在需要進(jìn)一步衰減的情況下，可將耦合扼流電感器與電源線(xiàn)串聯(lián)添加。
通常，濾波器設(shè)計(jì)在選擇組件時(shí)應(yīng)考慮最壞情況。例如，高輸入電壓時(shí)共模EMI最高，而低電壓和高負(fù)載電流時(shí)差模EMI最高。
結(jié)論
在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源時(shí)通常考慮到上述所有要點(diǎn)，這實(shí)際上是將EMI緩解稱(chēng)為“黑暗技術(shù)”的原因之一，但是隨著您對(duì)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(jìn)步，電磁兼容性以及每臺(tái)設(shè)備在正常運(yùn)行條件下正常運(yùn)行而不影響附近其他設(shè)備運(yùn)行的總體能力比以往任何時(shí)候都更加重要。設(shè)備必須不易受到附近有意或無(wú)意來(lái)源的EMI的影響，并且同時(shí)還必須輻射（有意或無(wú)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(kāi)關(guān)電源PCB設(shè)計(jì)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(huì)如何影響兩個(gè)設(shè)備中的EMI動(dòng)態(tài)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，尤其是對(duì)于嵌入式開(kāi)關(guān)電源，電源將與設(shè)備一起作為一個(gè)單元進(jìn)行認(rèn)證，并且任何失效都將通過(guò)認(rèn)證。兩者都可能導(dǎo)致失敗。
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