DC/DC 轉(zhuǎn)換器 EMI 的工程師指南 - 第 1 部分，規(guī)范和測(cè)量

簡(jiǎn)介

多數(shù)電源應(yīng)用必須減少電磁干擾 (EMI) 以滿足相關(guān)要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須嘗試各種方法來(lái)減少傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。

電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)的合規(guī)性（例如，針對(duì)多媒體設(shè)備的 CISPR 32，針對(duì)汽車應(yīng)用的 CISPR 25）是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)，與產(chǎn)品開發(fā)成本和上市時(shí)間息息相關(guān)。

對(duì)于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器而言，雖然采用開關(guān)更快的電源器件可以提升開關(guān)頻率并縮小尺寸，但在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)的開關(guān)電壓和電流轉(zhuǎn)換率（dv/dt 和 di/dt）有所提升，通常引起 EMI 加劇，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題。

例如，氮化鎵 (GaN) 電源器件的開關(guān)速度極快，導(dǎo)致高頻條件下的 EMI 增加 10dB。EMI 濾波器是電力電子系統(tǒng)不可或缺的組成部分，在總體積和總重量方面占比相對(duì)較大。因此，必須非常關(guān)注系統(tǒng)的 EMI 降噪和抑制，不僅要滿足 EMC 規(guī)范，還需降低解決方案成本并提高系統(tǒng)功率密度。

本文是 EMI 系列文章的第一部分，回顧了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量技術(shù)，主要側(cè)重于傳導(dǎo)發(fā)射。表 1 列出了與 EMI 有關(guān)的常用縮寫和命名法。

表 1：與 EMI 和 EMC 相關(guān)的常見縮略語(yǔ)、縮寫和單位。

EMC 監(jiān)管規(guī)范

EMC 指系統(tǒng)或內(nèi)含元器件在其電磁環(huán)境中按要求運(yùn)行，不會(huì)對(duì)環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生超出容限的電磁干擾的能力。此類干擾可能造成嚴(yán)重后果，因此各種國(guó)內(nèi)和國(guó)際監(jiān)管規(guī)范中均設(shè)立了 EMC 條款。

在歐盟區(qū)域內(nèi)，通信市場(chǎng)銷售的電源產(chǎn)品多年來(lái)通常采用 EN 55022/CISPR 22 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，從而在傳導(dǎo)和輻射發(fā)射兩方面滿足合規(guī)性要求，歐盟之外參照此標(biāo)準(zhǔn)的電源產(chǎn)品使用 CE 符合性聲明 (DoC)，滿足歐盟 EMC 指令 2014/30/EU 的合規(guī)性。

針對(duì)北美市場(chǎng)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品符合 FCC 第 15 部分 的限值。IEC 61000-6-3 和 IEC 61000-6-4 通用 EMC 標(biāo)準(zhǔn)分別適用于輕工業(yè)和工業(yè)環(huán)境。

然而，在輻射方面，EN 55032 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已取代 EN 55022 (ITE)、EN 55013（廣播接收器和相關(guān)設(shè)備）和 EN 55103-1（音視頻設(shè)備）。這一新標(biāo)準(zhǔn)正式成為符合 EMC 指令的統(tǒng)一輻射標(biāo)準(zhǔn)。更具體地說(shuō)，之前根據(jù) EN 55022 進(jìn)行測(cè)試并在 2017 年 3 月 2 日后運(yùn)往歐盟的所有產(chǎn)品，必須符合 EN 55032 的要求。

隨著 EN 55022 標(biāo)準(zhǔn)撤銷并由 EN 55032 取代，電源制造商和供應(yīng)商需要按照新標(biāo)準(zhǔn)更新其 DoC 證書，從而合法地使用 CE 認(rèn)證徽標(biāo)。圖 1 顯示了在 150kHz 至 30MHz 的適用頻率范圍內(nèi)，使用準(zhǔn)峰值 (QP) 和平均值 (AVG) 信號(hào)檢測(cè)器進(jìn)行的傳導(dǎo)發(fā)射的 EN 55022/32 A 類和 B 類限值。

圖 1：使用準(zhǔn)峰值和平均值檢測(cè)器的 EN 55022 A 類和 B 類傳導(dǎo)發(fā)射限值。

對(duì)于汽車終端設(shè)備，未來(lái) EMC 合規(guī)性的主要推動(dòng)力無(wú)疑來(lái)自于通過(guò)車輛間通信支持的自主車輛。針對(duì)“板載接收器保護(hù)”的 CISPR 25 規(guī)范已針對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射設(shè)置了嚴(yán)格的限制，在 FM 頻帶（76MHz 至 108MHz）的限制尤為嚴(yán)格。

從監(jiān)管角度而言，UNECE 10 號(hào)法規(guī)在 2014 年 11 月取代了歐盟的汽車 EMC 指令 2004/104/EC，其中要求制造商必須取得所有車輛、電子元器件 (ESA)、元器件和獨(dú)立技術(shù)單元的型式認(rèn)證。

CISPR 25 測(cè)試的傳導(dǎo)發(fā)射均在 150kHz 至 108MHz 頻率范圍的特定頻帶內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。具體而言，調(diào)節(jié)頻率范圍分布在 AM 廣播、FM 廣播和移動(dòng)服務(wù)頻帶之間，如圖 2 中的圖象和表格所示。圖 2 還繪制了 CISPR 25 5 類（最嚴(yán)苛的要求）的相關(guān)限值圖象。盡管頻帶之間的帶隙允許更高的噪聲尖峰，但汽車制造商可能會(huì)根據(jù)其特定的內(nèi)部 EMC 要求選擇擴(kuò)展這些頻率范圍。這些要求通?；趪?guó)際 IEC 標(biāo)準(zhǔn)，僅更改不同測(cè)試或限值的少量參數(shù)，其核心內(nèi)容保持不變。

圖 2：CISPR 25 5 類傳導(dǎo)發(fā)射限值。

為了應(yīng)對(duì) CISPR 25 限值帶來(lái)的挑戰(zhàn)，尤其是 FM 頻帶方面，請(qǐng)注意，50Ω 測(cè)量電阻產(chǎn)生的 18dBμV 對(duì)應(yīng)的噪聲電流僅為 159nA。

測(cè)量傳導(dǎo) EMI

LISN 測(cè)量 EUT 產(chǎn)生的傳導(dǎo)發(fā)射。它是插入 EMI 源和電源之間測(cè)量點(diǎn)的接口，確保 EMI 測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性和可比較性。圖 3 所示為根據(jù) CISPR 16-1-2 [12] 或 ANSI C63.4標(biāo)準(zhǔn)定義的標(biāo)準(zhǔn) 50μH LISN 的功能等效電路（并非完整原理圖）。

LISN 提供：

·在給定頻率范圍內(nèi)，產(chǎn)生經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的穩(wěn)定信號(hào)源阻抗。

·在該頻率范圍內(nèi)，將 EUT 和測(cè)量設(shè)備與輸入電源隔離。

·與測(cè)量設(shè)備建立安全適用的連接。

·單獨(dú)測(cè)量?jī)蓷l線路的總噪聲級(jí)別，圖 3 中以 L 和 N 表示。

圖 3：使用 V 型 LISN 進(jìn)行的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)量。

簡(jiǎn)而言之，使用信號(hào)源阻抗已知的預(yù)定義測(cè)試方案能夠獲得可重復(fù)性結(jié)果。注：LISN 可能包含一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立 LISN 電路。

LISN 的實(shí)質(zhì)是 pi 濾波器網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)低通電感-電容 (LC) 濾波器，EUT 與輸入電源線 L 和 N 相連，如圖 3 所示。LISN 電感值基于在產(chǎn)品理想安裝狀態(tài)下，電源線的預(yù)期電感。

CISPR 16 和 ANSI C63.4 為 LISN 指定了一個(gè) 50μH 電感，該值與電信設(shè)備中約 50 米的配電布線系統(tǒng)的電感相符。相反，CISPR 25 指定 5μH LISN，與汽車線束的近似電感相對(duì)應(yīng)。

LISN 為噪聲發(fā)射信號(hào)提供明確定義的阻抗。LISN 制造商通常提供校準(zhǔn)曲線，指示特定測(cè)量頻率范圍內(nèi)的標(biāo)稱阻抗。根據(jù) CISPR 16-1-2，允許的容差是 ±20% 的幅值和 ±11.5° 的相位。

對(duì)于使用 EMI 接收器或頻譜分析儀進(jìn)行的測(cè)量，噪聲信號(hào)可通過(guò)高通濾波器網(wǎng)絡(luò)（如圖 3 所示）獲得，該網(wǎng)絡(luò)的耦合電容為 0.1μF，放電電阻為 1kΩ，測(cè)量端口的端接電阻為  50Ω 。圖 4 顯示了在 150kHz 至 30MHz 的頻率范圍，(50μH + 5Ω) || 50Ω LISN 的模擬阻抗圖。

圖 4：在 150kHz 至 30MHz 的調(diào)節(jié)頻率范圍內(nèi)，測(cè)量端口處的 50Ω，50μH LISN 標(biāo)稱阻抗特性。

針對(duì)汽車應(yīng)用的 CISPR 25 測(cè)試裝置

圖 5 顯示了 CISPR 25 推薦的傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試裝置。該標(biāo)準(zhǔn)定義了待測(cè)系統(tǒng)的處理方式以及測(cè)量方案和設(shè)備。根據(jù) CISPR 25 規(guī)范，LISN 在此處指定為 AN。當(dāng)汽車功率回流線超過(guò) 200mm 時(shí)，EUT 遠(yuǎn)程接地，需要兩個(gè) AN：二者分別用于正電源線和功率回流線。相反，如果汽車功率回流線不超過(guò) 200mm，則 EUT 本地接地，只需將一個(gè) AN 應(yīng)用于正電源。

AN 直接安裝在基準(zhǔn)接地平面之上，AN 外殼與接地平面相連。電源回流線還與電源和 AN 之間的接地平面相連。將 EMI 接收器連接到相應(yīng) AN 的測(cè)量端口可確保成功測(cè)量每條電源線上的傳導(dǎo)發(fā)射。與此同時(shí)，插入另一條電源線的 AN 的測(cè)量端口端接 50Ω 負(fù)載。

圖 5：CISPR 25 傳導(dǎo) EMI 測(cè)試方案（電壓法）概述。

圖 6 顯示了用于預(yù)合規(guī)測(cè)試的 CISPR 25 傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)室。LISN 是右側(cè)的藍(lán)色箱體，鋰離子汽車電池位于其后，DUT 位于左側(cè)的絕緣材料上。為了在特定電源電壓下（例如 13.5V）進(jìn)行測(cè)試，使用可變電壓源從試驗(yàn)室外部通過(guò)隔板饋電。結(jié)果通過(guò)各自的 LISN 在線路端（熱回路）和返回端（接地）獲取。

圖 6：使用兩個(gè)單極 LISN 和銅箔接地平面的 CISPR 25 傳導(dǎo) EMI 測(cè)試裝置。

圖 7 顯示了典型的 CISPR 25 傳導(dǎo) EMI 掃描結(jié)果，黃色和藍(lán)色分別表示峰值和平均測(cè)量值。我們可以看到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器安靜地運(yùn)行，傳導(dǎo)發(fā)射遠(yuǎn)低于嚴(yán)格的 5 類限值。這種測(cè)量技術(shù)在 30MHz 以上發(fā)生改變，因?yàn)?EMI 接收器的 RBW 從 9kHz 調(diào)整為 120kHz，可能導(dǎo)致測(cè)量噪底發(fā)生變化。

圖 7：典型的 CISPR 25 傳導(dǎo) EMI 測(cè)量。

總結(jié)

有意或者無(wú)意產(chǎn)生的電磁能量均對(duì)其他設(shè)備造成電磁干擾。商業(yè)產(chǎn)品需要在正常運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生的電磁能量降至最低水平。

世界各地的許多管理機(jī)構(gòu)均對(duì)允許最終產(chǎn)品產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射 EMI 的等級(jí)進(jìn)行了規(guī)定。采用適用的測(cè)量技術(shù)可以定量分析此類發(fā)射，以便采取適當(dāng)?shù)拇胧┓戏ㄒ?guī)的合規(guī)性。

EMC 要求通常事關(guān)在 AC 電源線（和信號(hào)線）所測(cè)量系統(tǒng)的整體情況，而 DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為子元器件，并沒(méi)有具體的 EMC 限值。然而，用戶可以執(zhí)行預(yù)合規(guī)性測(cè)試，確定 EMI 是否造成不良影響。