使用電源模塊簡(jiǎn)化低EMI設計

　　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)路面積盡可能地小)。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。