DC-DC開(kāi)關(guān)電源EMI分析與優(yōu)化設計

　　現代電力電子系統通常在開(kāi)關(guān)模式下工作，產(chǎn)生了較大的電磁干擾(EMI)，EMI問(wèn)題一直是電力電子工程師頭疼的問(wèn)題，解決EMI問(wèn)題是一項既困難又耗時(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(jiàn)縮略語(yǔ)：

　　?EMC(Electromagnetic Compatibility)：電磁兼容性

　　?EMI(Electromagnetic Interference)：電磁干擾

　　?EMS(Electromagnetic Susceptibility)：電磁抗擾度

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

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

　　?CISPR：國際無(wú)線(xiàn)電干擾特別委員會(huì )

　　?CE：字母“CE”是法文句子的縮寫(xiě)，意指歐盟

　　?CCC(China Compulsory Certificate)：中國強制性產(chǎn)品認證制度，又稱(chēng)3C認證。

　　電磁兼容性(EMC)是指設備或系統在電磁環(huán)境中符合要求運行并不對其環(huán)境中的任何設備產(chǎn)生無(wú)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)。其包含的測試項目如圖1所示。

　　圖1 EMC測試項

　　電磁干擾限制可分為兩個(gè)基本應用范疇：

　　?A類(lèi)：適用于商業(yè)或工業(yè)裝置環(huán)境，相應限制較為輕松。

　　?B類(lèi)：適用于家用或住宅裝置，相應限制較為嚴格。

　　B類(lèi)限制約比A類(lèi)限制低10dB，即發(fā)射振幅之比約為1:3(20×log(3)≈10dB)。市場(chǎng)銷(xiāo)售的產(chǎn)品還需要滿(mǎn)足一些重要的安規標準。在許多國家，電磁兼容標準和安規標準統一用一個(gè)區域認證標志來(lái)表示，如CE標志即歐洲認證標志，CCC標志即中國強制認證標志。該標志表示產(chǎn)品符合電磁兼容標準和安規標準。

　　歷史上普遍接受的國際電磁干擾標準是CISPR-22，美國的電磁干擾標準是FCC，CISPR-22與FCC有所不同，但一般來(lái)說(shuō)如果電源符合CISPR-22標準，那么它也符合FCC標準?？傊瓹ISPR-22標準已經(jīng)成為全世界都遵守的基本標準。汽車(chē)上的電磁干擾標準是CISPR-25，相對CISPR22來(lái)說(shuō)CISPR-25標準限制值更低并且額外對FM頻段做了很?chē)赖南拗埔?。具體傳導測試限制要求如圖2所示。

　　圖2 傳導測試標準

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

　　圖3 輻射測試標準

　　對于設備來(lái)說(shuō)DCDC開(kāi)關(guān)電源是最常見(jiàn)的噪聲源，而通常又不易受干擾，所以DCDC的EMC問(wèn)題主要就是EMI問(wèn)題。以Buck電源為例，DCDC芯片開(kāi)關(guān)過(guò)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(kāi)關(guān)噪聲不僅包含開(kāi)關(guān)次和倍頻頻率段的噪聲，另外其開(kāi)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(xiàn)之間的電位差，共模噪聲是待測零部件的LN線(xiàn)和參考地之間的電位差。DCDC電源EMI主要來(lái)源于電流和電壓跳變，通過(guò)共模和差模的形式耦合到接收器上。

　　如圖4所示是Buck開(kāi)關(guān)電源的噪聲產(chǎn)生和耦合路徑，從傳導路徑來(lái)說(shuō)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)產(chǎn)生的差模干擾通過(guò)輸入電容濾波后會(huì )直接傳到輸入端，共模干擾通過(guò)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)對地的耦合再通過(guò)LISN端檢測到。從輻射的路徑來(lái)看主要是差模的功率電流回路產(chǎn)生的，當然共模干擾也會(huì )產(chǎn)生部分輻射干擾。因此在設計電路時(shí)減小功率開(kāi)關(guān)電流回路對傳導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EMI產(chǎn)生的原因分析，我們就可以按照如下幾點(diǎn)對EMI進(jìn)行優(yōu)化：

　　?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，這在傳導測試中尤其關(guān)鍵，根據對噪聲的大小的衰減比例可以計算出EMI濾波器的參數大小。常見(jiàn)的EMI濾波器參數如圖5所示。

　　圖5 常見(jiàn)EMI濾波器設計參數

　　?輸入輸出電容位置要靠近芯片放置

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

　　圖6 輸入電容位置對EMI的影響

　　?LC濾波器要與遠離DCDC高頻電流環(huán)路

　　所有的LC濾波器都是以電感結束，并且要遠離DCDC的高頻環(huán)路。防止電流環(huán)路的近場(chǎng)磁場(chǎng)效應對輸入濾波器的影響。

　　?對稱(chēng)設計芯片和對稱(chēng)電容設計

　　如圖7所示，對稱(chēng)電容設計能明顯抵消磁場(chǎng)，如果電容集成到芯片內部的話(huà)對傳導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(chē)載充電芯片方案，內部集成了電容，具有良好的EMI性能。

　　圖7 對稱(chēng)電容設計

　　?改用一體成型電感

　　環(huán)形電感的漏磁較大，體積也比較大，對大地也有比較大的耦合電容，因此其對外的輻射更大，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EMI的影響