DC-DC開關(guān)電源EMI分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)通常在開關(guān)模式下工作，產(chǎn)生了較大的電磁干擾(EMI)，EMI問題一直是電力電子工程師頭疼的問題，解決EMI問題是一項(xiàng)既困難又耗時(shí)的工作，本文將介紹EMI是如何產(chǎn)生、傳播以及如何優(yōu)化解決。

常見縮略語：

lEMC(Electromagnetic Compatibility)：電磁兼容性

lEMI(Electromagnetic Interference)：電磁干擾

lEMS(Electromagnetic Susceptibility)：電磁抗擾度

lIEC(International Electrotechnical Commission)：國際電工委員會(huì)

lFCC(Federal Communication Commission)：美國聯(lián)邦通信委員會(huì)

lCISPR：國際無線電干擾特別委員會(huì)

lCE：字母“CE”是法文句子的縮寫，意指歐盟

lCCC(China Compulsory Certificate)：中國強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證制度，又稱3C認(rèn)證。

電磁兼容性(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾能力，電磁兼容(EMC)包含電磁干擾(EMI)和電磁抗擾度(EMS)。其包含的測(cè)試項(xiàng)目如圖1所示。

圖1 EMC測(cè)試項(xiàng)

電磁干擾限制可分為兩個(gè)基本應(yīng)用范疇：

lA類：適用于商業(yè)或工業(yè)裝置環(huán)境，相應(yīng)限制較為輕松。

lB類：適用于家用或住宅裝置，相應(yīng)限制較為嚴(yán)格。

B類限制約比A類限制低10dB，即發(fā)射振幅之比約為1:3(20×log(3)≈10dB)。市場(chǎng)銷售的產(chǎn)品還需要滿足一些重要的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。在許多國家，電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一用一個(gè)區(qū)域認(rèn)證標(biāo)志來表示，如CE標(biāo)志即歐洲認(rèn)證標(biāo)志，CCC標(biāo)志即中國強(qiáng)制認(rèn)證標(biāo)志。該標(biāo)志表示產(chǎn)品符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

歷史上普遍接受的國際電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是CISPR-22，美國的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是FCC，CISPR-22與FCC有所不同，但一般來說如果電源符合CISPR-22標(biāo)準(zhǔn)，那么它也符合FCC標(biāo)準(zhǔn)。總之CISPR-22標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為全世界都遵守的基本標(biāo)準(zhǔn)。汽車上的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)是CISPR-25，相對(duì)CISPR22來說CISPR-25標(biāo)準(zhǔn)限制值更低并且額外對(duì)FM頻段做了很嚴(yán)的限制要求。具體傳導(dǎo)測(cè)試限制要求如圖2所示。

圖2 傳導(dǎo)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

如圖3所示電磁干擾的輻射測(cè)試普遍采用天線接收法測(cè)試，相比于CISPR22來說CISPR25額外增加了150KHz ~ 30MHz的輻射測(cè)試，這部分測(cè)試頻段覆蓋了DCDC的工作頻率范圍，是輻射測(cè)試的難點(diǎn)。另外CISPR-25輻射測(cè)試采用1M法天線距離更近，測(cè)試接收的信號(hào)更強(qiáng)。

圖3 輻射測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于設(shè)備來說DCDC開關(guān)電源是最常見的噪聲源，而通常又不易受干擾，所以DCDC的EMC問題主要就是EMI問題。以Buck電源為例，DCDC芯片開關(guān)過程中產(chǎn)生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量，其開關(guān)噪聲不僅包含開關(guān)次和倍頻頻率段的噪聲，另外其開關(guān)速度越低，高頻噪聲分量衰減越大。噪聲分為差模噪聲和共模噪聲，差模噪聲是LN線之間的電位差，共模噪聲是待測(cè)零部件的LN線和參考地之間的電位差。DCDC電源EMI主要來源于電流和電壓跳變，通過共模和差模的形式耦合到接收器上。

如圖4所示是Buck開關(guān)電源的噪聲產(chǎn)生和耦合路徑，從傳導(dǎo)路徑來說開關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的差模干擾通過輸入電容濾波后會(huì)直接傳到輸入端，共模干擾通過開關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)地的耦合再通過LISN端檢測(cè)到。從輻射的路徑來看主要是差模的功率電流回路產(chǎn)生的，當(dāng)然共模干擾也會(huì)產(chǎn)生部分輻射干擾。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)減小功率開關(guān)電流回路對(duì)傳導(dǎo)輻射干擾有很大的幫助。

圖4 DCDC噪聲源及耦合路徑

既然有了上面對(duì)EMI產(chǎn)生的原因分析，我們就可以按照如下幾點(diǎn)對(duì)EMI進(jìn)行優(yōu)化：

Ø輸入端增加EMI濾波器

EMI濾波器可以抑制流經(jīng)LISN的差模和共模電流，這在傳導(dǎo)測(cè)試中尤其關(guān)鍵，根據(jù)對(duì)噪聲的大小的衰減比例可以計(jì)算出EMI濾波器的參數(shù)大小。常見的EMI濾波器參數(shù)如圖5所示。

圖5 常見EMI濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)

Ø輸入輸出電容位置要靠近芯片放置

在功率開關(guān)回路中di/dt環(huán)路會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流和環(huán)路面積成正比關(guān)系。減小環(huán)路面積能大幅度減小對(duì)外輻射。如圖6所示通過將輸入電容C2靠近芯片可以顯著減小磁場(chǎng)輻射程度。

圖6 輸入電容位置對(duì)EMI的影響

ØLC濾波器要與遠(yuǎn)離DCDC高頻電流環(huán)路

所有的LC濾波器都是以電感結(jié)束，并且要遠(yuǎn)離DCDC的高頻環(huán)路。防止電流環(huán)路的近場(chǎng)磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)輸入濾波器的影響。

Ø對(duì)稱設(shè)計(jì)芯片和對(duì)稱電容設(shè)計(jì)

如圖7所示，對(duì)稱電容設(shè)計(jì)能明顯抵消磁場(chǎng)，如果電容集成到芯片內(nèi)部的話對(duì)傳導(dǎo)和輻射的高頻干擾都能起到極大的抑制作用，MPS的MPQ4491M就是一款高度集成的車載充電芯片方案，內(nèi)部集成了電容，具有良好的EMI性能。

圖7 對(duì)稱電容設(shè)計(jì)

Ø改用一體成型電感

環(huán)形電感的漏磁較大，體積也比較大，對(duì)大地也有比較大的耦合電容，因此其對(duì)外的輻射更大，如圖8所示將環(huán)形電感替換為貼片電感后整體的EMI就會(huì)下降很多。

圖8 環(huán)形電感對(duì)EMI的影響