使用電源模塊簡化低EMI設(shè)計(jì)

　　在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時，您可能聽說過電磁干擾(EMI)

　　越來越多的應(yīng)用必須通過EMI標(biāo)準(zhǔn)，制造商才獲得商業(yè)轉(zhuǎn)售批準(zhǔn)。開關(guān)電源意味著器件內(nèi)部有電子開關(guān)，EMI可通過它產(chǎn)生輻射。

　　本文將介紹開關(guān)電源中EMI的來源以及降低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(cè)和低側(cè)FET及電感器封裝為一體)如何幫助降低EMI。

　　開關(guān)電源中EMI的來源

　　首先，必須尊重物理定律。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電可產(chǎn)生電磁場。每個電導(dǎo)體中均會出現(xiàn)這種現(xiàn)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(dāng)電磁能的發(fā)射器，但也可以接收電磁能并充當(dāng)接收器。天線設(shè)計(jì)是為了最大化傳輸或接收能量。

　　但并非每個應(yīng)用都應(yīng)該像天線一樣，而且這種設(shè)計(jì)可能會產(chǎn)生負(fù)面影響。例如，開關(guān)降壓電源設(shè)計(jì)用于將較高的電壓轉(zhuǎn)換為較低的電壓，但它們同時也充當(dāng)了(有害的)電磁波發(fā)射器，可能干擾其他應(yīng)用，例如干擾AM頻段。這種效應(yīng)稱為EMI。

　　為了確保功能正常運(yùn)行，最大限度地減少EMI源非常重要。國際無線電干擾特別委員會(CISPR)定義了各種標(biāo)準(zhǔn)，如作為汽車電氣應(yīng)用基準(zhǔn)的CISPR 25，以及針對信息技術(shù)設(shè)備的CISPR 22。

　　如何降低電源設(shè)計(jì)的EMI輻射呢?一種方法是用金屬完全屏蔽開關(guān)電源。但在大多數(shù)應(yīng)用中，由于成本和空間的原因，這種方法無法實(shí)現(xiàn)。一種更好的方法是減少和優(yōu)化EMI源。許多文獻(xiàn)已經(jīng)詳細(xì)討論了這一專題;本文推薦了兩種方式。

　　讓我們回顧一下開關(guān)電源中EMI的主要來源，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，開關(guān)電源是用來進(jìn)行轉(zhuǎn)換的。它們的作用是以幾百千赫到幾兆赫的頻率打開和關(guān)閉輸入電壓。這就導(dǎo)致了快速電流轉(zhuǎn)換(dI/dt)和快速電壓轉(zhuǎn)換(dV/dt)。根據(jù)麥克斯韋方程組，交流電流和電壓產(chǎn)生交變電磁場。這些電磁場從其原點(diǎn)徑向擴(kuò)散，它們的強(qiáng)度隨距離而降低。

　　圖1.來自開關(guān)電源的EMI會對負(fù)載和主電源產(chǎn)生影響。

　　圖2.在輸入端、開關(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(qū)域有助于降低EMI

　　磁場和電場會干擾應(yīng)用的導(dǎo)電部件(例如，印刷電路板[PCB]上的銅跡線，就像天線一樣)并在線路上產(chǎn)生額外的噪聲，這樣又會導(dǎo)致發(fā)生EMI(見圖1)。實(shí)際上幾瓦功率的轉(zhuǎn)換就會擴(kuò)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，幾乎無法形成良好的布局。

　　輻射的電磁能與其流過的電流量(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(見圖2和圖3)。

　　著眼于引腳排列(見圖4)可以幫助您通過減小高dI/dt環(huán)路面積來更好地設(shè)計(jì)良好布局。例如，開關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠引發(fā)高電流變化(dI)和高電壓轉(zhuǎn)換(dV)。良好的引腳排列可以分離噪聲敏感引腳和噪聲引腳。開關(guān)節(jié)點(diǎn)和啟動引腳應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離噪聲敏感型反饋引腳。此外，輸入引腳和接地引腳應(yīng)相鄰。這樣便簡化了PCB上的布線和輸入電容器的放置。

　　圖5顯示了LMR23630 SIMPLE SWITCHER?轉(zhuǎn)換器的改進(jìn)評估模塊(EVM)。兩個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?yàn)殡娏鳝h(huán)路區(qū)域(圖5中的紅色矩形)比數(shù)據(jù)表所要求和建議的要大。圖5中的橢圓形紅色形狀表示轉(zhuǎn)換器和電感器之間的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。IC和電感器之間的環(huán)路面積越小越好。

　　圖6中的曲線圖顯示了LMR23630轉(zhuǎn)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，從而形成一個較大的環(huán)路面積。

　　圖6.LMR23630轉(zhuǎn)換器輸入電容布局對EMI輻射的影響。