一直以來(lái)，設計中的電磁干擾（EMI）問(wèn)題十分令人頭疼，尤其是在汽車(chē)領(lǐng)域。為了盡可能的減小電磁干擾，設計人員通常會(huì )在設計原理圖和繪制布局時(shí)，通過(guò)降低高di / dt的環(huán)路面積以及開(kāi)關(guān)轉換速率來(lái)減小噪聲源。
但是，有時(shí)無(wú)論布局和原理圖的設計多么謹慎，仍然無(wú)法將傳導EMI降低到所需的水平。這是因為噪聲不僅取決于電路寄生參數，還與電流強度有關(guān)。另外，開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉的動(dòng)作會(huì )產(chǎn)生不連續的電流，這些不連續電流會(huì )在輸入電容上產(chǎn)生電壓紋波，從而增加EMI。
因此，有必要采用一些其他方法來(lái)提高傳導EMI的性能。本文主要討論的是引入輸入濾波器來(lái)濾除噪聲，或增加屏蔽罩來(lái)鎖住噪聲。
圖1 EMI濾波器示意簡(jiǎn)圖
圖1是一個(gè)簡(jiǎn)化的EMI濾波器，包括共模（CM）濾波器和差模（DM）濾波器。通常，DM濾波器主要用于濾除小于30MHz的噪聲（DM噪聲），CM濾波器主要用于濾除30MHz至100MHz的噪聲（CM噪聲）。但其實(shí)這兩個(gè)濾波器對于整個(gè)頻段的EMI噪聲都有一定的抑制作用。
圖2顯示了一個(gè)不帶濾波器的輸入引線(xiàn)噪聲，包括正向噪聲和負向噪聲，并標注了這些噪聲的峰值水平和平均水平。其中，該被測系統主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1輸出5V/5A，并給后續芯片TPS65263QRHBRQ1供電，同時(shí)輸出1.5V/3A，3.3V/2A以及1.8V/2A。這兩個(gè)芯片都工作在2.2MHz的開(kāi)關(guān)頻率下。另外，圖中顯示的傳導EMI標準是CISPR25 Class 5（C5）。有關(guān)該系統的更多信息，請查閱應用筆記SNVA810。
圖2 C5標準下的噪聲特性（無(wú)濾波器）
圖3顯示了增加一個(gè)DM濾波器后的EMI結果。從圖中可以看出，DM濾波器衰減了中頻段DM噪聲（2MHz至30MHz）近35dBμV/ m。此外高頻段噪聲（30MHz至100MHz）也有所降低，但仍超過(guò)限制水平。這主要是因為DM濾波器對于高頻段CM噪聲的濾除能力有限。
圖3 C5標準下的噪聲特性（帶DM濾波器）
圖4顯示了增加CM和DM濾波器后的噪聲特性。與圖3相比，CM濾波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪聲。并且EMI性能也通過(guò)了CISPR25 C5標準。
圖4 C5標準下的噪聲特性（帶CM和DM濾波器）
圖5顯示了不同布局下帶CM和DM濾波器的噪聲特性，其中濾波器與圖4相同。但與圖4相比，整個(gè)頻段的噪聲增加了大約10dBμV/ m，高頻噪聲甚至還超出CISPR25 C5標準的平均值。
圖5 C5標準下的噪聲特性（帶CM和DM濾波器，不同布局）
圖4和圖5之間噪聲結果的不同主要是由于PCB布線(xiàn)差異所致，如圖6所示。圖5的布線(xiàn)中（圖6的右側），大面積覆銅（GND）包圍著(zhù)DM濾波器，并和Vin走線(xiàn)形成了一些寄生電容。這些寄生電容為高頻信號旁路濾波器提供了有效的低阻抗路徑。因此，為了最大限度地提高濾波器的性能，需要移除濾波器周?chē)械母层~，如圖6左側的布線(xiàn)。
圖6 不同的PCB布線(xiàn)
除了增加濾波器外，另一種優(yōu)化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。這是因為連接著(zhù)GND的金屬屏蔽罩可以阻止噪聲向外輻射。圖7推薦了一種屏蔽罩的擺放方法。該屏蔽罩恰好覆蓋了板上所有的元器件。
圖8顯示了增加濾波器和屏蔽罩之后的EMI結果。如圖所示，整個(gè)頻段的噪聲幾乎都被屏蔽罩消除，EMI性能非常好。這主要是因為等效為天線(xiàn)的長(cháng)輸入引線(xiàn)會(huì )耦合大量輻射噪聲，而屏蔽罩恰好隔絕了它們。在本設計中，中頻噪聲也會(huì )采用這種方式耦合到輸入引線(xiàn)上。
圖7 帶屏蔽罩的PCB 3D模型
圖8 C5標準下的噪聲特性（帶CM，DM濾波器以及屏蔽罩）
圖9也顯示了帶濾波器和屏蔽罩的噪聲特性。與圖8 不同的是，圖9中屏蔽罩是一個(gè)金屬盒，它包裹了整個(gè)電路板，且只有輸入引線(xiàn)裸露在外面。雖然有了這個(gè)屏蔽罩，但一些輻射噪聲仍然可以繞過(guò)EMI濾波器并耦合到PCB上的電源線(xiàn)，這將會(huì )導致比圖8更差的噪聲特性。有趣的是，圖4，圖8和圖9中（相同的布局布線(xiàn)）高頻帶的噪聲特性幾乎相同。這是因為在增加EMI濾波器后，能耦合到輸入線(xiàn)上的高頻段輻射噪聲幾乎已經(jīng)不存在了。
圖9 C5標準下的噪聲特性（帶CM，DM濾波器以及屏蔽金屬盒）
綜合來(lái)說(shuō)，增加EMI濾波器或者屏蔽罩都能有效的改善EMI性能。但是與此同時(shí)，濾波器的布局布線(xiàn)以及屏蔽罩的擺放位置需要仔細斟酌。 |
