DC-DC開關電源EMI分析與優(yōu)化設計

　　現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)通常在開關模式下工作，產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問題是一項既困難又耗時的工作，本文將介紹EMI是如何產生、傳播以及如何優(yōu)化解決。

　　常見縮略語：

　　?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

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

　　?CISPR：國際無線電干擾特別委員會

　　?CE：字母“CE”是法文句子的縮寫，意指歐盟

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

　　電磁兼容性(EMC)是指設備或系統(tǒng)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基本應用范疇：

　　?A類：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：適用于家用或住宅裝置，相應限制較為嚴格。

　　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)。市場銷售的產品還需要滿足一些重要的安規(guī)標準。在許多國家，電磁兼容標準和安規(guī)標準統(tǒng)一用一個區(qū)域認證標志來表示，如CE標志即歐洲認證標志，CCC標志即中國強制認證標志。該標志表示產品符合電磁兼容標準和安規(guī)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，但一般來說如果電源符合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。汽車上的電磁干擾標準是CISPR-25，相對CISPR22來說CISPR-25標準限制值更低并且額外對FM頻段做了很嚴的限制要求。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接收法測試，相比于CISPR22來說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。另外CISPR-25輻射測試采用1M法天線距離更近，測試接收的信號更強。

　　圖3 輻射測試標準

　　對于設備來說DCDC開關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芯片開關過程中產生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量，其開關噪聲不僅包含開關次和倍頻頻率段的噪聲，另外其開關速度越低，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開關電源的噪聲產生和耦合路徑，從傳導路徑來說開關節(jié)點產生的差模干擾通過輸入電容濾波后會直接傳到輸入端，共模干擾通過開關節(jié)點對地的耦合再通過LISN端檢測到。從輻射的路徑來看主要是差模的功率電流回路產生的，當然共模干擾也會產生部分輻射干擾。因此在設計電路時減小功率開關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產生的原因分析，我們就可以按照如下幾點對EMI進行優(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鍵，根據(jù)對噪聲的大小的衰減比例可以計算出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濾波器設計參數(shù)

　　?輸入輸出電容位置要靠近芯片放置

　　在功率開關回路中di/dt環(huán)路會產生磁場，并且磁場強度與電流和環(huán)路面積成正比關系。減小環(huán)路面積能大幅度減小對外輻射。如圖6所示通過將輸入電容C2靠近芯片可以顯著減小磁場輻射程度。

　　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)路的近場磁場效應對輸入濾波器的影響。

　　?對稱設計芯片和對稱電容設計

　　如圖7所示，對稱電容設計能明顯抵消磁場，如果電容集成到芯片內部的話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就會下降很多。

　　圖8 環(huán)形電感對EMI的影響