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)行電壓轉換/轉換（降壓或升壓）。隨著(zhù)每天開(kāi)發(fā)出更多的設備（潛在的EMI受害者），克服EMI成為工程師面臨的主要挑戰，并且實(shí)現電磁兼容性（EMC）與使設備正常運行同等重要。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設計。
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）的耦合路徑以及對性能造成負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設計性質(zhì)和開(kāi)關(guān)特性。在從AC-DC或DC-DC轉換的過(guò)程中，開(kāi)關(guān)電源中的MOSFET開(kāi)關(guān)組件在高頻下導通或關(guān)斷都會(huì )產(chǎn)生錯誤的正弦波（方波），傅立葉級數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，從電源傳輸到設備中的其他電路，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）轉換（這也與開(kāi)關(guān)有關(guān)）。根據麥克斯韋方程，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(zhù)距離的增加而減小，但它會(huì )與導電部件（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，導致EMI。
現在，直到源極的EMI耦合到相鄰的電路或設備（受害者）之前，它的危險性（有時(shí)）才變得如此危險，因此，通過(guò)消除/最小化潛在的耦合路徑，通�？梢越档虴MI。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（通過(guò)不需要的/改變用途的路徑或所謂的“隱身電路”），感應（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如何影響開(kāi)關(guān)模式電源中的EMI，PCB設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。
不同類(lèi)型的EMI耦合機制
我們將研究與開(kāi)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(kāi)關(guān)電源PCB設計要素。
開(kāi)關(guān)電源中的輻射EMI：
當源和受體（受害人）充當無(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設計布局以及存在會(huì )引起漏感的布線(xiàn)習慣而導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 )出現較高水平的輻射EMI。
開(kāi)關(guān)電源中的傳導EMI：
當EMI輻射沿著(zhù)將EMI源和接收器連接在一起的導體（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)電源中的傳導耦合是共模傳導（在+ ve和GND線(xiàn)上出現同相干擾）或差分模式（在兩個(gè)導體上出現異相）。
共模傳導發(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，差模傳導發(fā)射是開(kāi)關(guān)動(dòng)作的結果，該開(kāi)關(guān)動(dòng)作導致輸入端出現電流脈沖并產(chǎn)生開(kāi)關(guān)尖峰，從而導致差分噪聲的存在。
開(kāi)關(guān)電源中的感應EMI：
感應耦合時(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感應發(fā)生。當兩個(gè)相鄰導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；而當兩個(gè)平行導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/擴散到同一板上的潛在受害者。 （或外部系統）是由不良的組件選擇，不良的PCB設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(kāi)關(guān)電源中EMI的PCB設計技術(shù)
在閱讀本節之前，盡量先了解一下EMI / EMC周?chē)臉藴屎头ㄒ�，以提醒設計目標是什么。盡管地區之間的標準有所不同，但是由于協(xié)調一致，最普遍接受的兩個(gè)標準在大多數地區都可以接受認證；FCC EMI控制法規和CISPR 22（國際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )（CISPR）第三版，出版物22）。我們在前面討論的EMI標準文章中總結了這兩個(gè)標準的復雜細節。
通過(guò)EMC認證過(guò)程或僅要確保您的設備在其他設備周?chē)＿\行時(shí)，要求您將排放水平保持在標準中規定的值以下。
存在許多減輕開(kāi)關(guān)電源中EMI的PCB設計方法，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)調諧并獲得EMI結果的情況下，通�？尚械囊环N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設計布局和寄生電感/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，并被設計為可以開(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組件，例如電感器，它們內部連接在封裝內部，因此，模塊內部存在很小的環(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)節點(diǎn)，以防止線(xiàn)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(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電（金屬）外殼內來(lái)實(shí)現的，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 )增加項目的材料成本和PCB尺寸，因此，對于具有低成本目標的項目而言，這可能不是一個(gè)好主意。
4.布局優(yōu)化
PCB設計布局被認為是促進(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)相當模糊的術(shù)語(yǔ)，因為它可能意味著(zhù)不同的事情，從消除寄生組件到將噪聲節點(diǎn)與噪聲敏感節點(diǎn)分離，以及減小電流環(huán)路面積等。
開(kāi)關(guān)電源設計的一些布局優(yōu)化技巧包括：
保護對噪聲敏感的節點(diǎn)免受嘈雜節點(diǎn)的影響
可以通過(guò)將它們放置在盡可能遠的位置以防止它們之間發(fā)生電磁耦合來(lái)實(shí)現。下表提供了一些噪聲敏感和嘈雜節點(diǎn)的示例；
PCB上的銅走線(xiàn)充當輻射EMI的天線(xiàn)，因此，防止直接連接到噪聲敏感節點(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。盡可能緊密地連接。例如，來(lái)自電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )的長(cháng)走線(xiàn)會(huì )饋入反饋（FB）引腳，該走線(xiàn)可以充當天線(xiàn)并拾取周?chē)妮椛銭MI。反饋到反饋引腳的噪聲會(huì )在系統輸出端引入額外的噪聲，從而使器件的性能不穩定。
減少臨界（天線(xiàn)）環(huán)路面積
帶有開(kāi)關(guān)波形的走線(xiàn)/導線(xiàn)應盡可能靠近。
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。對電源線(xiàn)執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，尤其是當它直接位于EMI源下方時(shí)，它可以顯著(zhù)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，并導致明顯的EMI級別，因為返回電流必須找到一條較長(cháng)的路徑來(lái)繞過(guò)切口，以返回電流源。
篩選器
EMI濾波器對于電源來(lái)說(shuō)是必不可少的，特別是對于降低傳導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EMI的EMI濾波器設計中，通常重要的是將共模傳導發(fā)射與差模發(fā)射分開(kāi)對待，因為用于解決這些問(wèn)題的濾波器參數是不同的。
對于差模傳導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LC低通濾波器。
對于共模傳導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，濾波器設計在選擇組件時(shí)應考慮最壞情況。例如，高輸入電壓時(shí)共模EMI最高，而低電壓和高負載電流時(shí)差模EMI最高。
結論
在設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)通�？紤]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(zhù)您對它的適應，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設備在正常運行條件下正常運行而不影響附近其他設備運行的總體能力比以往任何時(shí)候都更加重要。設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，以免導致其他設備發(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備會(huì )如何影響兩個(gè)設備中的EMI動(dòng)態(tài)，因為在大多數情況下，尤其是對于嵌入式開(kāi)關(guān)電源，電源將與設備一起作為一個(gè)單元進(jìn)行認證，并且任何失效都將通過(guò)認證。兩者都可能導致失敗。 |
