作者：Michael Daimer（模擬現場(chǎng)應用工程師 德州儀器）

在設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，您可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)電磁干擾（EMI）

越來(lái)越多的應用必須通過(guò)EMI標準，制造商才獲得商業(yè)轉售批準。開(kāi)關(guān)電源意味著(zhù)器件內部有電子開(kāi)關(guān)，EMI可通過(guò)它產(chǎn)生輻射。

本文將介紹開(kāi)關(guān)電源中EMI的來(lái)源以及降低EMI的方法或技術(shù)。本文還將向您展示電源模塊（控制器、高側和低側FET及電感器封裝為一體）如何幫助降低EMI。

開(kāi)關(guān)電源中EMI的來(lái)源

首先，必須尊重物理定律。根據麥克斯韋方程組，交流電可產(chǎn)生電磁場(chǎng)。每個(gè)電導體中均會(huì )出現這種現象，其自身帶有一些可以形成振蕩電路的電容和電感。該振蕩電路以特定頻率（f=1/(2*π*sqrt(LC))）將電磁能輻射到空間中。該電路充當電磁能的發(fā)射器，但也可以接收電磁能并充當接收器。天線(xiàn)設計是為了最大化傳輸或接收能量。

但并非每個(gè)應用都應該像天線(xiàn)一樣，而且這種設計可能會(huì )產(chǎn)生負面影響。例如，開(kāi)關(guān)降壓電源設計用于將較高的電壓轉換為較低的電壓，但它們同時(shí)也充當了（有害的）電磁波發(fā)射器，可能干擾其他應用，例如干擾AM頻段。這種效應稱(chēng)為EMI。

為了確保功能正常運行，最大限度地減少EMI源非常重要。國際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )（CISPR）定義了各種標準，如作為汽車(chē)電氣應用基準的CISPR 25，以及針對信息技術(shù)設備的CISPR 22。

如何降低電源設計的EMI輻射呢？一種方法是用金屬完全屏蔽開(kāi)關(guān)電源。但在大多數應用中，由于成本和空間的原因，這種方法無(wú)法實(shí)現。一種更好的方法是減少和優(yōu)化EMI源。許多文獻已經(jīng)詳細討論了這一專(zhuān)題；本文推薦了兩種方式。

讓我們回顧一下開(kāi)關(guān)電源中EMI的主要來(lái)源，以及為什么電源模塊可以幫助您輕松降低EMI。

減小布局中的電流環(huán)路

顧名思義，開(kāi)關(guān)電源是用來(lái)進(jìn)行轉換的。它們的作用是以幾百千赫到幾兆赫的頻率打開(kāi)和關(guān)閉輸入電壓。這就導致了快速電流轉換（dI/dt）和快速電壓轉換（dV/dt）。根據麥克斯韋方程組，交流電流和電壓產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)。這些電磁場(chǎng)從其原點(diǎn)徑向擴散，它們的強度隨距離而降低。

圖1.來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的EMI會(huì )對負載和主電源產(chǎn)生影響。

圖2.在輸入端、開(kāi)關(guān)和輸入電容器之間形成臨界電流環(huán)路。

圖3.減小環(huán)路區域有助于降低EMI

磁場(chǎng)和電場(chǎng)會(huì )干擾應用的導電部件（例如，印刷電路板[PCB]上的銅跡線(xiàn)，就像天線(xiàn)一樣）并在線(xiàn)路上產(chǎn)生額外的噪聲，這樣又會(huì )導致發(fā)生EMI（見(jiàn)圖1）。實(shí)際上幾瓦功率的轉換就會(huì )擴大EMI的輻射范圍。

圖4.引腳排列有助于減小環(huán)路面積。左圖：優(yōu)化的引腳排列；右圖：非優(yōu)化布局，幾乎無(wú)法形成良好的布局。

輻射的電磁能與其流過(guò)的電流量（I）和環(huán)路面積（A）成正比。減小交流電流和電壓環(huán)路的面積有助于降低EMI（見(jiàn)圖2和圖3）。

著(zhù)眼于引腳排列（見(jiàn)圖4）可以幫助您通過(guò)減小高dI/dt環(huán)路面積來(lái)更好地設計良好布局。例如，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)能夠引發(fā)高電流變化（dI）和高電壓轉換（dV）。良好的引腳排列可以分離噪聲敏感引腳和噪聲引腳。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)和啟動(dòng)引腳應盡可能遠離噪聲敏感型反饋引腳。此外，輸入引腳和接地引腳應相鄰。這樣便簡(jiǎn)化了PCB上的布線(xiàn)和輸入電容器的放置。

圖5顯示了LMR23630 SIMPLE SWITCHER®轉換器的改進(jìn)評估模塊（EVM）。兩個(gè)輸入電容器距離輸入引腳約2.5厘米。之所以如此排列，是為了模擬不良布局，因為電流環(huán)路區域（圖5中的紅色矩形）比數據表所要求和建議的要大。圖5中的橢圓形紅色形狀表示轉換器和電感器之間的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)。IC和電感器之間的環(huán)路面積越小越好。

圖5.輸入引腳和輸入電容器之間環(huán)路面積（紅色矩形）較大的錯誤布局示例。在IC和電感器之間形成第二個(gè)環(huán)路區域（橢圓形紅色形狀）。

圖6中的曲線(xiàn)圖顯示了LMR23630轉換器的EMI輻射，其中只有VIN、GND和輸入電容器之間形成的環(huán)路面積不同。良好的布局中電容器盡可能靠近輸入引腳和接地引腳（環(huán)路面積盡可能地�。�。而不良的布局中輸入電容器距離輸入引腳2.5厘米，從而形成一個(gè)較大的環(huán)路面積。

圖6.LMR23630轉換器輸入電容布局對EMI輻射的影響。

圖6中曲線(xiàn)圖的紅線(xiàn)表示不良布局的EMI輻射。藍線(xiàn)表示采用相同EVM的良好布局的EMI輻射。修改一個(gè)環(huán)路面積會(huì )產(chǎn)生巨大的影響。LMR23630轉換器的EMI輻射水平可降低20 dBμV/m以上。

圖7.不同類(lèi)型電源模塊的內部組成。在這兩種情況下，電感器均位于IC晶片的頂部。

因此，在采用降壓轉換器或降壓電源模塊進(jìn)行設計時(shí)，如何放置輸入電容器應該是首要考慮因素之一。電源模塊還具有以下優(yōu)點(diǎn)：電感器和IC之間的關(guān)鍵環(huán)路面積已經(jīng)過(guò)優(yōu)化。電感器在封裝內部與集成電路連接（見(jiàn)圖7）。這種放置方式會(huì )在封裝內部形成一個(gè)較小的環(huán)路區域。因此，不必將噪聲開(kāi)關(guān)節點(diǎn)布線(xiàn)在印刷電路板上。

電源模塊中屏蔽了其中的大多數電感器，以防止來(lái)自線(xiàn)圈的電磁輻射。在非�？拷�電感器的地方會(huì )發(fā)生高電流電壓轉換，并且開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的一部分電磁場(chǎng)受到屏蔽，電感器位于引線(xiàn)框架的頂部（見(jiàn)圖7）。

快速的電壓和電流瞬變

快速瞬變會(huì )導致開(kāi)關(guān)節點(diǎn)發(fā)生振鈴，從而產(chǎn)生EMI。在某些情況下，轉換器可連接至啟動(dòng)引腳。將一個(gè)電阻器與啟動(dòng)電容器串聯(lián)放置會(huì )增加上升時(shí)間（dt），在降低EMI的同時(shí)損失了效率。

圖8.將啟動(dòng)電阻器添加到LMR23630轉換器開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的影響。EMI輻射較低，但由于開(kāi)關(guān)損耗較高，因此效率有所降低。

圖8顯示了LMR23630 EVM的EMI輻射掃描。對布局進(jìn)行更改后，將輸入電容器放在距引腳約2.5厘米遠的位置，以模擬不良布局，并展示啟動(dòng)電容器的放置將如何影響EMI特性。在設計中多放一個(gè)啟動(dòng)電容器可能比完全改變布局更容易。建議您在設計時(shí)始終將啟動(dòng)電容器考慮進(jìn)去，以備不時(shí)之需。如果沒(méi)有，您可以使用0Ω電阻器來(lái)減少PCB上的空間。

將啟動(dòng)電阻器與啟動(dòng)電容器串聯(lián)可以降低EMI頻譜。某些頻率范圍中的發(fā)射會(huì )降低達6dB。圖8還顯示了效率平衡情況。使用30.1Ω的電阻器縮短上升時(shí)間dt，從而將效率降低1%以上。

看一下功率損耗就更能說(shuō)明這一點(diǎn)。滿(mǎn)載（3A）的功率損耗從1.9W增加到2.1W。功率損耗超過(guò)10%時(shí),可能會(huì )導致散熱問(wèn)題。

在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)引腳和接地引腳之間放置一個(gè)小型肖特基二極管可以降低反向恢復電流，從而降低同步轉換器中的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電流振鈴dI，但這樣會(huì )提高物料清單（BOM）成本�；蛘�，您可以添加一個(gè)緩沖網(wǎng)絡(luò )，其中包含一個(gè)位于開(kāi)關(guān)節點(diǎn)與接地之間的額外的大封裝電容和電阻。緩沖器可消耗開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴的能量，但需要知道附加組件的振鈴頻率和正確計算。這種方法同樣會(huì )降低開(kāi)關(guān)電源的效率。

電流路徑中的寄生電感和電容

對于同步降壓轉換器，每個(gè)IC架構會(huì )產(chǎn)生不同強度的噪聲，表現為EMI輻射。但很難從數據表中找到這一項。大多數數據表都沒(méi)有提供EMI圖，因為PCB布局、BOM組件和其他因素會(huì )對EMI特性產(chǎn)生影響。幸運的話(huà)，EVM用戶(hù)指南會(huì )提供此特定設計的EMI特性圖。但如果您的設計與EVM的布局和BOM不匹配，您所設計的應用的EMI特性可能會(huì )有很大差異。電源模塊簡(jiǎn)化了布局，實(shí)現了快速簡(jiǎn)便的設計，因為您只需要考慮一些經(jīng)驗法則。例如，盡量減少接地平面中的跡線(xiàn)或切口數量；必要時(shí)，將其設計為與電流方向保持平行（圖9）。

圖9.PCB中的切口和跡線(xiàn)會(huì )影響電流，因此也會(huì )影響輻射EMI。

保護噪聲敏感節點(diǎn)免受噪聲節點(diǎn)的影響

盡可能縮短噪聲敏感節點(diǎn)，并遠離噪聲節點(diǎn)。例如，從電阻分壓網(wǎng)絡(luò )到反饋（FB）引腳的長(cháng)跡線(xiàn)可以充當天線(xiàn)并捕獲電磁輻射干擾的噪聲（圖10）。這種噪聲會(huì )被引入FB引腳，致使輸出端產(chǎn)生額外的噪聲，甚至使器件不穩定。在設計開(kāi)關(guān)降壓調節器的布局時(shí)，將這一切都考慮在內是一個(gè)挑戰。

表1.降壓轉換器中噪聲敏感節點(diǎn)和噪聲節點(diǎn)的示例。

圖10.始終將FB引腳上的電阻分壓器盡可能靠近FB引腳放置。

模塊的優(yōu)勢在于將噪聲敏感節點(diǎn)和噪聲節點(diǎn)保持在最低限度，從而最大限度地減小錯誤布局的幾率。唯一要注意的是保持FB引腳的跡線(xiàn)盡可能短。

結論

在開(kāi)關(guān)降壓轉換器中有許多用來(lái)調節EMI的旋鈕，但用來(lái)實(shí)現最佳方案可能還不夠方便。找到最佳配置會(huì )花費大量寶貴的設計時(shí)間。電源模塊早已包括FET和電感器，這就使得創(chuàng )建和完成具有良好EMI特性的電源設計變得簡(jiǎn)單而又快捷。使用降壓模塊進(jìn)行設計時(shí)最關(guān)鍵的一點(diǎn)是一些外部元件的放置方式，這有助于顯著(zhù)提高EMI特性。

轉換器和電源模塊的EMI比較

前文說(shuō)明了開(kāi)關(guān)電源中EMI的來(lái)源以及如何降低EMI�，F在，本文將通過(guò)比較轉換器和使用相同集成電路（IC）的電源模塊之間的測量結果，來(lái)演示模塊如何幫助減輕EMI輻射。兩者均來(lái)自TI的SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品線(xiàn)，轉換器為L(cháng)MR23630，電源模塊為L(cháng)MZM33603，采用LMR23630 IC。通過(guò)對兩個(gè)器件的EVM做部分更改，以獲得相同的BOM數，因此結果僅取決于所選部件（轉換器或電源模塊）和布局。兩種EVM均具有良好的優(yōu)化布局。之后，將電容器放置在遠離輸入引腳的位置，就生成了不良布局。

LMR23630轉換器的性能

 SHAPE  \* MERGEFORMAT

圖11.具有不同輸入電容布局的LMR23630轉換器的EMI輻射。

圖11顯示了不同設計布局的四種不同EMI頻譜。設計布局從優(yōu)至劣排列（類(lèi)似于圖5，只是把各步驟分開(kāi)）。第一次測量（良好布局/藍線(xiàn)）時(shí)，未對EVM的布局做出更改（良好布局中所有的輸入電容器都非�？拷�輸入引腳）。第二次測量（小電容器靠近/紅線(xiàn)）時(shí)，兩個(gè)4.7μF電容器均放置在距輸入引腳2.5厘米處。0.22μF的小電容器非�？拷�輸入引腳。在第三（小電容器遠離/綠線(xiàn)）和第四（無(wú)小電容器/紫線(xiàn)）次測量時(shí)，小電容器分別距輸入引腳2.5厘米，然后完全移除。

您可以在圖11中看到輸入電容器的放置非常關(guān)鍵。將小輸入電容器遠離輸入引腳放置或將其完全移除會(huì )違背CISPR 22 A3M級標準。將小電容器靠近輸入引腳放置可以最大限度地減少高頻環(huán)路面積。小電容器可濾除高頻噪聲，而較大電容的電容器可濾除低頻噪聲。

電源模塊的封裝中通常包含一個(gè)小輸入電容器。讓我們看看布局不良時(shí)電源模塊的性能。

LMZM33603電源模塊的性能

圖12顯示了電源模塊的EVM布局，同樣從優(yōu)至劣排列。藍線(xiàn)表示未更改EVM的EMI輻射。紅線(xiàn)和綠線(xiàn)表示不良布局，其中一條線(xiàn)有兩個(gè)4.7μF輸入電容器，位于PCB底部下方（紅線(xiàn)）。綠線(xiàn)的電容器距輸入引腳約3.5厘米（圖13中以紅色橢圓形突出顯示）。圖13中的紅色粗線(xiàn)還顯示了更改后的EVM，以及VIN、輸入電容器和接地之間形成的關(guān)鍵環(huán)路區域。EMI特性變差，但并不違背CISPR 22 A3M級標準。

圖12.TI LMZM33603電源模塊的EMI輻射特性

圖13.TI LMZM33603電源模塊的不良布局示例。

電源模塊可以補救布局設計錯誤

圖14在單個(gè)圖表中對LMR23630轉換器（紅線(xiàn)）和LMZM33603電源模塊（藍線(xiàn)）做出了對比。兩者均有類(lèi)似的不良布局，所有外部輸入電容器都遠離輸入引腳。

顯然，LMZM33603電源模塊的EMI輻射特性要優(yōu)于LMR23630轉換器。盡管兩種布局均不完美，但電源模塊會(huì )通過(guò)CISPR測試，而轉換器無(wú)法通過(guò)測試。

圖14.比較TI LMR23630轉換器和LMZM33603電源模塊的EMI特性。

結論

正如前文所說(shuō)，為開(kāi)關(guān)電源創(chuàng )建良好的布局設計具有挑戰性。即使是經(jīng)驗豐富的工程師也容易犯錯，例如輸入電容器的放置位置不當。

電源模塊更有利于減少設計布局錯誤。在滿(mǎn)足EMI特性方面，它們是開(kāi)關(guān)電源的理想選擇，并且對高效利用設計時(shí)間至關(guān)重要。