廈門PCB線路板設計如何降低EMI

開關模式電源是AC-DC或DC-DC電源的通用術語，這些電源使用具有快速開關動作的電路進行電壓轉換/轉換（降壓或升壓）。隨著每天開發出更多的設備（潛在的EMI受害者），克服EMI成為工程師面臨的主要挑戰，并且實現電磁兼容性（EMC）與使設備正常運行同等重要。如何降低開關電源EMI輻射問題，下面介紹這些能降低EMI的PCB設計。

開關電源中的EMI來源

解決任何EMI問題通常需要了解干擾源，與其他電路（受害者）的耦合路徑以及對性能造成負面影響的受害者的性質。在產品開發期間，通常幾乎不可能確定EMI對潛在受害者的影響，因此，EMI控制工作通常集中在最小化排放源（或降低磁化率）和消除/減少耦合路徑上。

開關電源電源中EMI的主要來源可以追溯到其固有的PCB設計性質和開關特性。在從AC-DC或DC-DC轉換的過程中，開關電源中的MOSFET開關組件在高頻下導通或關斷都會產生錯誤的正弦波（方波），傅立葉級數可將其描述為許多具有諧波相關頻率的正弦波的總和。開關動作產生的諧波的完整傅立葉頻譜變成了EMI，從電源傳輸到設備中的其他電路，以及附近容易受到這些頻率影響的電子設備。

除了開關噪聲之外，開關電源的另一個EMI來源是快速電流（dI / dt）和電壓（dV / dt）轉換（這也與開關有關）。根據麥克斯韋方程，這種交流電和電壓會產生交變電磁場，盡管該場的大小會隨著距離的增加而減小，但它會與導電部件（如PCB上的銅走線）相互作用，它們就像天線一樣，在線路上產生額外的噪聲，導致EMI。

現在，直到源極的EMI耦合到相鄰的電路或設備（受害者）之前，它的危險性（有時）才變得如此危險，因此，通過消除/最小化潛在的耦合路徑，通?？梢越档虴MI。正如“ EMI簡介 ”一文中討論的那樣，EMI耦合通常通過以下方式發生：傳導（通過不需要的/改變用途的路徑或所謂的“隱身電路”），感應（通過電感性或電容性元件（如變壓器）進行耦合）和輻射（空中傳輸）。

通過了解這些耦合路徑以及它們如何影響開關模式電源中的EMI，PCB設計人員可以以使耦合路徑的影響最小化和減少干擾傳播的方式創建他們的系統。

不同類型的EMI耦合機制

我們將研究與開關電源相關的每種耦合機制，并建立引起它們存在的開關電源PCB設計要素。

開關電源中的輻射EMI：

當源和受體（受害人）充當無線電天線時，就會發生輻射耦合。源輻射電磁波，該電磁波在源與受害者之間的開放空間中傳播。在開關電源中，輻射EMI傳播通常與具有高di / dt的開關電流相關，這是由于不良的PCB設計布局以及存在會引起漏感的布線習慣而導致存在具有快速電流上升時間的環路而加劇的。

電路中快速的電流變化除了正常的電壓輸出（Vmeas）外，還會產生一個噪聲電壓（Vnoise）。耦合機制類似于變壓器的操作，因此Vnoise由等式給出；

V 噪聲 = R M /（R S + R M）* M * di / dt

M / K是耦合因子，它取決于磁環路的距離，面積和方向，以及所討論的環路之間的磁吸收，就像在變壓器中一樣。因此，在考慮較差的回路方向和較大的電流回路面積的PCB布局中，往往會出現較高水平的輻射EMI。

開關電源中的傳導EMI：

當EMI輻射沿著將EMI源和接收器連接在一起的導體（電線，電纜，外殼和PCB上的銅走線）通過時，就會發生傳導耦合。以這種方式耦合的EMI在電源線上很常見，并且在H場組件上通常很重。

開關電源中的傳導耦合是共模傳導（在+ ve和GND線上出現同相干擾）或差分模式（在兩個導體上出現異相）。

共模傳導發射通常是由寄生電容（如散熱器和變壓器的寄生電容）以及電路板布局以及開關兩端的開關電壓波形引起的。

另一方面，差模傳導發射是開關動作的結果，該開關動作導致輸入端出現電流脈沖并產生開關尖峰，從而導致差分噪聲的存在。

開關電源中的感應EMI：

感應耦合時，有一個電（由于電容耦合）或磁（由于電感耦合）的源極與受害者之間EMI感應發生。當兩個相鄰導體之間存在變化的電場時，會發生電耦合或電容耦合，從而在它們之間的間隙上引起電壓變化；而當兩個平行導體之間存在變化的磁場時，會發生磁耦合或電感耦合。沿接收導體的電壓。

綜上所述，雖然開關電源中主要的EMI來源是高頻開關動作以及由此產生的快速di / dt或dv / dt瞬態，但使能器有利于將產生的EMI傳播/擴散到同一板上的潛在受害者。 （或外部系統）是由不良的組件選擇，不良的PCB設計布局以及電流路徑中存在雜散電感/電容引起的因素。

降低開關電源中EMI的PCB設計技術

在閱讀本節之前，盡量先了解一下EMI / EMC周圍的標準和法規，以提醒設計目標是什么。盡管地區之間的標準有所不同，但是由于協調一致，最普遍接受的兩個標準在大多數地區都可以接受認證；FCC EMI控制法規和CISPR 22（國際無線電干擾特別委員會（CISPR）第三版，出版物22）。我們在前面討論的EMI標準文章中總結了這兩個標準的復雜細節。

通過EMC認證過程或僅要確保您的設備在其他設備周圍正常運行時，要求您將排放水平保持在標準中規定的值以下。

存在許多減輕開關電源中EMI的PCB設計方法，我們將嘗試一一介紹。

1.線性化

坦白地說，如果您的應用程序能夠承受（體積大且效率低的特性），則可以使用線性電源來為自己節省很多與電源相關的EMI壓力。它們不會產生明顯的EMI，并且不會花費那么多的時間和金錢來開發。就其效率而言，即使它可能無法與開關電源相提并論，您仍然可以通過使用LDO線性穩壓器來獲得合理的效率水平。

2.使用電源模塊

有時遵循實踐來獲得良好的EMI性能可能不夠好。在您似乎找不到時間或其他資源來調諧并獲得EMI結果的情況下，通?？尚械囊环N方法是切換到電源模塊。

電源模塊并不是完美的，但它們做得很好可以確保您不會陷入常見EMI陷阱的陷阱，例如不良的PCB設計布局和寄生電感/電容。市場上一些的電源模塊已經滿足了克服EMI的需求，并被設計為可以開發具有良好EMI性能的快速簡便的電源。村田制作所，Recom，Mornsun等制造商擁有各種各樣的開關電源模塊，這些模塊已經為我們解決了EMI和EMC問題。

例如，它們通常具有大多數組件，例如電感器，它們內部連接在封裝內部，因此，模塊內部存在很小的環路面積，從而降低了輻射EMI。一些模塊甚至可以屏蔽電感器和開關節點，以防止線圈產生輻射EMI。

3.屏蔽

降低EMI的蠻力機制是用金屬屏蔽開關電源。這是通過將噪聲產生源放置在電源中的接地導電（金屬）外殼內來實現的，與外部電路的僅有接口是通過串聯濾波器。

但是，屏蔽會增加項目的材料成本和PCB尺寸，因此，對于具有低成本目標的項目而言，這可能不是一個好主意。

4.布局優化

PCB設計布局被認為是促進EMI在電路中傳播的主要問題之一。這就是為什么在開關電源中降低EMI的普遍而通用的技術之一是布局優化。這有時是一個相當模糊的術語，因為它可能意味著不同的事情，從消除寄生組件到將噪聲節點與噪聲敏感節點分離，以及減小電流環路面積等。

開關電源設計的一些布局優化技巧包括：

保護對噪聲敏感的節點免受嘈雜節點的影響

可以通過將它們放置在盡可能遠的位置以防止它們之間發生電磁耦合來實現。下表提供了一些噪聲敏感和嘈雜節點的示例；

PCB上的銅走線充當輻射EMI的天線，因此，防止直接連接到噪聲敏感節點的走線獲得輻射EMI的方法之一是通過將它們所移到的組件保持盡可能短來實現。盡可能緊密地連接。例如，來自電阻分壓器網絡的長走線會饋入反饋（FB）引腳，該走線可以充當天線并拾取周圍的輻射EMI。反饋到反饋引腳的噪聲會在系統輸出端引入額外的噪聲，從而使器件的性能不穩定。

減少臨界（天線）環路面積

帶有開關波形的走線/導線應盡可能靠近。

輻射EMI與電流（I）的大小和流過的環路面積（A）成正比，因此，通過減小電流/電壓的面積，我們可以降低輻射EMI的水平。對電源線執行此操作的一種好方法是將電源線和返回路徑彼此重疊放置在PCB的相鄰層上。

最小化雜散電感

可以通過增加 PCB上走線（電源線）的尺寸并將其平行于其返回路徑布線以減小走線的電感，來減小線環的阻抗（這會導致輻射EMI與面積成正比）。。

接地線

位于PCB外表面的完整接地平面為EMI提供了最短的返回路徑，尤其是當它直接位于EMI源下方時，它可以顯著抑制輻射EMI。但是，如果允許其他走線切穿地平面，則可能會成為問題。切口可能會增加有效環路面積，并導致明顯的EMI級別，因為返回電流必須找到一條較長的路徑來繞過切口，以返回電流源。

篩選器

EMI濾波器對于電源來說是必不可少的，特別是對于降低傳導EMI而言。它們通常位于電源的輸入和/或輸出處。在輸入端，它們有助于濾除市電噪聲，在輸出端，可以防止電源噪聲影響電路的其余部分。

在減輕傳導EMI的EMI濾波器設計中，通常重要的是將共模傳導發射與差模發射分開對待，因為用于解決這些問題的濾波器參數是不同的。

對于差模傳導EMI濾波，輸入濾波器通常由電解電容器和陶瓷電容器組成，以在較低的基本開關頻率和較高的諧波頻率下有效衰減差分模式電流。在需要進一步抑制的情況下，在輸入端串聯一個電感，以形成一個單級LC低通濾波器。

對于共模傳導EMI濾波，可通過在電源線（輸入和輸出）與地之間連接旁路電容器來有效地實現濾波。在需要進一步衰減的情況下，可將耦合扼流電感器與電源線串聯添加。

通常，濾波器設計在選擇組件時應考慮最壞情況。例如，高輸入電壓時共模EMI最高，而低電壓和高負載電流時差模EMI最高。

結論

在設計開關電源時通?？紤]到上述所有要點，這實際上是將EMI緩解稱為“黑暗技術”的原因之一，但是隨著您對它的適應，它們已成為第二自然。。

得益于物聯網和技術的不同進步，電磁兼容性以及每臺設備在正常運行條件下正常運行而不影響附近其他設備運行的總體能力比以往任何時候都更加重要。設備必須不易受到附近有意或無意來源的EMI的影響，并且同時還必須輻射（有意或無意）干擾水平，以免導致其他設備發生故障。

出于與成本相關的原因，在開關電源PCB設計的早期階段考慮EMC是很重要的。同樣重要的是要考慮將電源連接到主設備會如何影響兩個設備中的EMI動態，因為在大多數情況下，尤其是對于嵌入式開關電源，電源將與設備一起作為一個單元進行認證，并且任何失效都將通過認證。兩者都可能導致失敗。

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