在選擇一款符合 EN55022 標準的低 EMI 電源之前 您應該了解些什么呢?

引言

由于市場(chǎng)對于提升信息技術(shù)和通信設備性能的需求，因此如今的系統設計人員面臨著(zhù)必需設計 EMI 兼容產(chǎn)品的巨大挑戰。在銷(xiāo)售之前，所有通常被規定為具有一個(gè)高于 9kHz 之已調時(shí)鐘信號的信息技術(shù)設備 (ITE) 都必須滿(mǎn)足相關(guān)的政府標準，例如美國的 FCC Part 15 Subpart B 和歐盟的 EN55022，這些標準規定了工業(yè)和商業(yè)環(huán)境 (Class A) 以及家庭環(huán)境 (Class B) 的最大可容許輻射發(fā)射。鑒于此類(lèi)嚴格的 EMI 標準、工程人力資源限制和產(chǎn)品快速上市要求，使得通過(guò) EN55022 標準認證之電源模塊的普及率有所提高。然而重要的是必須知曉電源模塊在認證時(shí)所處的電氣操作條件，以避免在之后的設計過(guò)程中感到詫異。對開(kāi)關(guān)模式穩壓器中的 EMI 干擾源和場(chǎng)強因子有所了解將有助于設計工程師選擇最佳的組件，以減輕特別是那些所需電流水平較高之尖端設備中的電磁輻射。

圖 1：FCC 輻射限值 (USA) 和 EN55022 Class B 輻射限值 (歐盟)

EMI 輻射源

由于其特殊的性質(zhì)，開(kāi)關(guān)電源會(huì )產(chǎn)生輻射到周?chē)髿庵械碾姶挪?。脈沖電壓和電流將因開(kāi)關(guān)動(dòng)作而出現，并直接影響輻射電磁波的強度 (見(jiàn)邊欄)。此外，轉換器內部的寄生器件也會(huì )產(chǎn)生電磁輻射。圖 2 給出了一款典型的降壓型轉換器，其包括功率 MOSFET 的寄生電感器和寄生電容器。

圖 2：具寄生電感器和電容器的降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器

在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期里，存儲在寄生電感器中的能量將和存儲于寄生電容器中的能量發(fā)生共振。當能量釋放時(shí)將在開(kāi)關(guān)節點(diǎn) (VSW) 上產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓尖峰，其最大可達輸入電壓的兩倍，如圖 3 所示。當 MOSFET 的電流能力增加時(shí)，存儲在寄生電容器中的能量往往也會(huì )增加。另外，開(kāi)關(guān)動(dòng)作還使輸入電流以及流過(guò)頂端 MOSFET (ITOP) 和底端 MOSFET (IBOT) 的電流產(chǎn)生脈動(dòng)。此脈沖電流將在輸入電源電纜和 PCB 板印制線(xiàn) (其充當了發(fā)射天線(xiàn)) 上產(chǎn)生電波，從而產(chǎn)生輻射發(fā)射和傳導發(fā)射。

當輸入電壓和輸出電流增加時(shí)，每個(gè)周期中功率電感器改變極性時(shí)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上的電壓尖峰也將增大。而且，輸出電流越高，電路回路內部產(chǎn)生的脈沖電流越大。因此，輻射發(fā)射在很大程度上取決于被測試器件所處的電氣操作條件。一般來(lái)說(shuō)，輻射噪聲將隨著(zhù)輸入電壓和輸出功率 (特別是輸出電流) 的提高而增加。由于作為低噪聲替代方案的線(xiàn)性穩壓器效率過(guò)低，而且在高電壓和高功率級別下耗散過(guò)多的熱量，因此設計工程師不得不克服因采用最先進(jìn)的開(kāi)關(guān)電源解決方案而引發(fā)的難題，其中的 EMI 抑制變得頗為棘手。

圖 3：12V 輸入降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器中的典型開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓尖峰和振鈴

EMI 抑制

用于降低來(lái)自開(kāi)關(guān)模式電源轉換器設計的輻射 EMI 之替代方法面臨著(zhù)其他的難題。一種傳統方法是在電源解決方案周?chē)鲈O EMI 屏蔽，其將在金屬外殼內包含一個(gè) EMI 場(chǎng)。然而，EMI 屏蔽會(huì )增加設計復雜性、尺寸和成本。在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上 (VSW) 布設一個(gè) RC 減振器電路可幫助減小電壓尖峰和后續的振鈴?？墒?，增設一個(gè)減振器電路將降低工作效率，從而增加功率耗散，導致環(huán)境溫度和 PCB 溫度升高。最后一種對策是采取優(yōu)良的 PCB 布局方案，包括使用局部低 ESR 陶瓷去耦電容器，并為所有的大電流通路采用簡(jiǎn)短的 PCB 走線(xiàn)間隔，以最大限度地抑制圖 2 中所示的寄生效應，不過(guò)代價(jià)是增加了工程設計時(shí)間并延緩了產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

總的說(shuō)來(lái)，為了同時(shí)滿(mǎn)足尺寸、效率、熱耗散和 EMI 規格要求，工程師必需具備豐富的電源設計經(jīng)驗并做出艱難的權衡取舍，特別是在高輸入電壓、高輸出功率應用中 (原因如上所述)。為了評估折衷策略和設計一款符合 EMI 標準并滿(mǎn)足所有系統要求的電源轉換器，電路設計人員常常需要花費大量的時(shí)間和精力。

保證符合EMI 標準的解決方案

為了對一款簡(jiǎn)單和符合 EMI 標準的高輸出功率電源設計提供保證，凌力爾特公司向一家獨立的認證測試實(shí)驗室 (TUV Rheinland) 提交了 LTM4613 8A 降壓型 µModule® 穩壓器演示板 (DC1743 )，該實(shí)驗室的 10 米 EN55022 試驗箱得到了美國國家標準與技術(shù)研究所 (U.S. National Institute of Standards and Technology — NIST) 的正式認可。在一個(gè) 24V 輸入提供 96W 輸出功率的情況下，發(fā)現 LTM4613 演示板符合 EN55022 Class B 限值。只需采用輸入電容、輸出電容和少量的其他小型組件，即可輕松實(shí)現一款符合 EN55022 標準的“無(wú)憂(yōu)型”解決方案，特別是在采用可免費下載的 DC1743 光繪 (Gerber) 文件的情況下。