EMI：符合 CISPR 22 标准的电源方案

shuszhao

提前规划系统的EMI合规性对于项目成功至关重要。精心规划的设计应使用正确的滤波器、低EMI PMIC/元件以及/或者低EMI电源模块，再加上良好的PCB布局和屏蔽技术，这样将能够保证大概率一次性成功。
电磁兼容(EMI)合规性测试理所当然应该在产品开发周期的最后进行。不能通过 EMI 测试是系统工程师的噩梦。这不但是产品出货计划的巨大障碍，而且意味着重新设计电源，代价昂贵。庆幸的是，设计符合 EMI 标准的电源方案并不是不成功便成仁的事情。精心规划的设计应使用正确的滤波器、低 EMI 元件、低 EMI 电源调节器 IC 以及/或者低 EMI 电源模块，再加上良好的 PCB 布局和屏蔽技术，这样将能够保证大概率一次性成功。


什么是 EMI 噪声？为什么必须小心谨慎？

当电子设备连接到或靠近另一个产生 EMI 的电子设备，或者与之共用电源时，其工作就会受到EMI 的干扰。EMI 可以是传导性或辐射性。EMI 问题会妨碍电子设备与相邻的设备一起工作。我们日常生活中可能遭遇的常见 EMI 例子有：
•    低空飞行的飞行器干扰收音机或电视的音频/视频信号。
•    发射机造成当地电视台不能显示其画面。最坏情况下，画面会全部消失，或者呈现出某种图像模式。
•    手机与通信塔握手以处理呼叫时引起的干扰(所以航班要求乘客在飞行期间关闭手机)。
•    微波炉发出的干扰会影响附近的 WiFi 信号。

随着电子设备用量的大幅增长，电磁兼容(EMC)问题已成为一项重要课题。因此，诞生了标准化组织，以确保电子设备即使在 EMI 环境下也具备正常性能。现在，有了现代化电子设备，几乎能够在任何电子设备附近正常地使用手机及其他无线设备，几乎没有影响或影响非常小。为了实现上述目的，需要保证设备不发射有害辐射，同时也使设备不易受射频辐射的影响。
EMI 设计要求：
CISPR 22 (欧洲通常称为 EN55022) EMI 规范将设备、装置和电器分为两类：
B 类：设计用于家庭环境且满足 CISPR22 标准 B 类发射要求的设备、装置和电器。
A 类：不满足 CISPR22 标准 B 类发射要求但符合较宽松的 CISPR22 标准 A 类发射要求的设备、装置和电器。A 类设备应具有以下警告：“本产品为 A 类设备。在家庭环境中，本产品可能会引起无线电干扰，此时用户可能需要采取适当的措施。”

EMI 测试包括两部分：传导和辐射。传导发射测试在 150kHz 至 30MHz 频率范围进行。这是传导至电源的交流电流，采用两种方法进行测量：准峰值和平均值，各自具有其自身的限值。辐射发射测试在较高的 30MHz 至 1GHz 射频范围进行。这是来自于被测设备(DUT)的辐射磁场。测试范围上限 1GHz 适用于内部振荡频率最高为 108MHz 的 DUT。该范围上限在内部振荡器高达 500MHz 时扩展到 2GHz，内部振荡器频率高达 1GHz 时扩展到 5GHz，内部振荡器频率高达 1GHz 时扩展到6GHz。
以下为 CISPR 22 规范的图示：Y 轴为测试 EMI 的大小，单位为 dBuV。X 轴为测试频率，单位为 Hz。

                               
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图 1：CISPR 22 标准 B 类传导 EMI 规范。

                               
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图 2：CISPR 22 标准 A 类传导 EMI 规范。

                               
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图 3：CISPR 22 标准 B 类辐射 EMI 规范。

                               
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图 4：CISPR 22 标准 A 类辐射 EMI 规范。


开关电源中的 EMI 噪声源

开关电源会产生电磁能和噪声，也受外部干扰源的电磁噪声影响。开关电源产生的噪声可分为传导和辐射两类。传导发射的形式可以是电压或电流，其各自又可进一步分为共模或差模。此外， 连接线的有限阻抗造成电压传导，进而引起电流传导，反之亦然；差模传导引起共模传导，反之亦然。
我们接下来讨论开关电源中的噪声源。这是一个 buck 调节器原理简图及其工作电路波形：

                               
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图 5：Buck 调节器原理简图及其工作波形传导 EMI。


传导EMI

如图 5 所示，buck 调节器的输入电流 II 为脉冲波形，这是主要的传导源，是反灌回电源 VS 的差分EMI。传导发射主要受转换器输入处快速变化波形的影响(di/dt)。传导发射的值是在转换器输入处作为电压 VS 测量的，采用线路阻抗稳定网络(LISN)。输入电容 CI 的功能是滤除交流(脉冲)分量。网络电流 IS 是 II 与 ICI 之差。我们希望 IS 为直流或者尽量平滑。如果 CI 为容值无限的理想电容器，将使 VI 保持恒定，并有效滤除 I1 的全部交流分量，保留来自于电源 VS 的恒定(直流)电流，以及保证源阻抗 RS 上的直流压降为恒定值。在这种情况下，由于 IS 为直流电流，传导 EMI 将为零。实际应用中，我们在输入源和转换器之间使用 π 滤波器，使传导 EMI 在调节限值范围之内。
传导发射给固定系统带来的问题通常大于便携式系统。由于便携式设备使用电池工作，其负载和源没有外部连接可供传导发射。


辐射EMI

辐射 EMI 为快速变化的磁场，具有 30MHz 及以上的高频成分。磁场是由电路的电流环路产生的。如果不能正确滤除或屏蔽这种磁场的变化，这种变化就会耦合到其他邻近电路和/或设备，引起辐射 EMI 效应。

                               
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图 6：Buck 调节器原理简图及其快速 di/dt 电流环路。
图 6 所示为 buck 转换器及其快速 di/dt 电路环路 I1 和 I2。电流环路 I1 在导通期间进行传导，S1 导通，S2 关断；电流环路 I2 在关断期间进行传导，S1 关断，S2 导通。电流环路 I1 和 I2 的脉动性质造成磁场变化，场强与电流幅值及传导环路的面积成比例。快速 di/dt 电流沿产生高频谐波 EMI，且在规定的辐射范围之内。使此类电流环路的面积尽量小，将能够最大程度降低场强。放慢这些信号沿将降低开关调节器的高频谐波成分，但较慢的跳变会因为浪费能源而影响调节器效率。我们接下来讨论能够最大程度减小 EMI 辐射且不影响效率的途径。

                               
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图 7：电流环路产生的磁场。
电压节点 LX (有些厂商称之为 SW 或其他名称)为矩形波(暂时忽略寄生振荡)，连接到电感。LX 的快速 dv/dt 电压非连续信号沿通过输出电感的寄生电容将高频电流耦合到 CO 和负载，进而产生EMI 噪声。最大程度降低输出电感的寄生电容以缓解噪声耦合问题非常重要。LX 也具有高频寄生振荡。使用从 LX 到 GND 的 RC 缓冲网络有助于减小这种振荡。
以上所述的 EMI 噪声源的原理也同样适用于其他开关转换器结构。但噪声严重程度取决于具体结构的电流和电压波形。例如，工作在连续传导模式的 boost 转换器的输入电流比 buck 转换器的输入电流更连续，所以其输入处的传导 EMI 较小。
采取亡羊补牢的方法修正电源系统的 EMI 问题实际上非常困难、耗费时间且代价昂贵。预先设计和规划 EMI 合规性对于项目成功至关重要。常见的 EMI 抑制技术有电源滤波、电源设计、正确的 PCB 布局以及屏蔽。


EMI 电源滤波设计

为降低来自电源转换器的传导发射，在输入源和电源转换器之间使用 π 滤波器。选择滤波器元件的设计步骤如下：

[li]确定输入阻抗 RIN：最差情况下，buck 转换器的闭环输入阻抗在所有频率下均为 RIN = RO/D2，其中 RO为输出负载，D 为工作占空比。转换器工作在最小输入电压时，输入阻抗最小。[/li]

例：以 Maxim 的喜马拉雅 SiP 电源模块 MAXM17575 为例，器件采用 4.5-60Vin、0.9-12Vout，提供最大 1.5A 电流。以 MAXM17575 评估板为例，最小输入电压为 7.5V。输出负载为 RO = Vo/Io = 5V/1.5A =3.3Ω。最大工作占空比为 D = VO/VINmin = 5V/7.5V = 0.66。所以，最低可能输入阻抗为 RIN = RO/D2 = 3.3 Ω/0.662 = 7.6Ω。

[li]按照输出阻抗比 RIN 小 10db 或更小来设计 EMI 滤波器：增加输入滤波器会影响 DC-DC 转换器的性能。为最大程度减小这种影响，在最高达转换器穿越频率的所有频率下，滤波器的输出阻抗必须小于电源转换器的输入阻抗。[/li]

                               
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图 8. 传导 EMI 输入滤波器，插入在输入和电源模块之间。
LC 滤波器在谐振频率下的输出阻抗(最高值)为：

                               
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我们在设计中考虑滤波器的有效阻抗比 buck 转换器的输入阻抗小 10dB，大约等于输入阻抗的三分之一。在 MAXM17575 的例子中，要求 Zo < RIN/3 = 7.6/3 = 2.5Ω，适用于 MAXM17575 电路穿越频率 (45kHz)以下的所有频率。


PCB 布局最佳实践

PCB 布局对 EMI 合规性至关重要。糟糕的 PCB 布局会彻底破坏设计完美的电源转换器。以下为好的 PCB 布局实践，利用上例中相同的 buck 转换器最大程度减小 EMI 噪声源：

[li]最大程度减小高 di/dt 电流环路：将 LO、CO 和 S2 正确布置在一起，最大程度减小 I2 电流环路。然后，使这一组元件靠近 S1 和 C1，最大程度减小 I1 电流环路。使用 buck 调节器 IC(即集成功率开关 S1 和 S2 的 buck 控制器)时，选择具有好的引脚排列从而支持这种最小化的 IC 非常重要。相同道理也适用于使用电源模块的情况。[/li]

                               
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图 9：Buck 转换器的高 di/dt 电流环路。

[li]使用法拉第屏蔽：以英国科学家迈克尔•法拉第的名字命名的法拉第屏蔽(或法拉第笼)是用于阻隔电磁场的一种外壳。电源系统中实施法拉第屏蔽的方法通常有两种：[/li]

a.    由导电材料(例如铜)制成的笼子，将整个电源系统或设备笼罩起来。电磁场维持在笼子内部。由于笼子的材料成本和附加装配劳力，这种方法一般成本较高。
b.    PCB 的顶层和底层布局带有屏蔽接地区域，利用一个过孔将其连接起来，以模拟法拉第笼。所有高 di/dt 环路布置在 PCB 的内层，所以法拉第笼就能够屏蔽电磁场， 防止向外辐射。该方法成本较低，通常足以抑制 EMI。图 10 为该技术的示意图。

                               
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图 10：多层 PCB 板的法拉第屏蔽。
实施这些 PCB 布局的最佳实践提供了 EMI 合规性的合理途径，不会因为需要减慢开关信号沿而牺牲电源转换器效率。
现在，我们以 Maxim 的喜马拉雅 MAX17502 宽输入范围 IC 为例，器件工作在 4.5-60Vin、0.9- 54Vout，提供 1A 负载电流。以下为 MAX17502 EMI 评估板 PCB 的布局，采用了法拉第屏蔽技术 (b)。图 11a 所示为顶层和底层，用作法拉第屏蔽；图 11b 所示为内部第二层和第三层，用于布线。这里的第二层用作额外屏蔽，也可用于布线。该布局中，高 di/dt 电流环路 I1 和 I2 布置在第三层， 被完整笼罩在法拉第屏蔽中。

                               
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图 11a：用作法拉第屏蔽的顶层和底层。

                               
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图 11b：第二和第三(内)层，高 di/dt 环路布置在第三层。
以下为 MAX17502 EMI 评估板的 EMI 测试结果，以非常好的裕量通过了 CISPR 22 标准 B 类要求。

                               
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图 12：MAX17502 EMI 评估板传导 EMI 测试结果。左：准峰值；右：平均值。

                               
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图 13：MAX17502 EMI 评估板辐射 EMI 测试结果。


低 EMI 功率元件

输出电感的磁场也会产生辐射，引起 EMI 问题。使用低 EMI 电感可降低辐射的 EMI。建议使用屏蔽电感。这种电感具有磁场屏蔽，被约束在电感结构内部。避免使用磁能自由辐射的电感类型。采用屏蔽电感以及实施良好 PCB 布局实践的电源模块将呈现良好的 EMI 性能。


低 EMI 电源稳压器和模块

Maxim 的喜马拉雅稳压器和电源模块家族采用低 EMI 功率电感和良好的 PCB 布局实践，提供固有低 EMI 电源方案。使用喜马拉雅方案意味着您无需担心合规性，与市场上的其他单纯开关形成鲜明对比。Maxim 的 IC、模块以及示例参考布局已经完成了全部工作，您能够以最优成本通过CISPR 22 (EN 55022)标准要求。以下为 MAXM17575 例子的 EMI 测试结果以及输入 EMI 滤波器信息：

                               
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EMI 滤波器配置 — 传导 EMI 测试

                               
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图14：用于传导 EMI 试验的 MAXM17575 评估板 EMI 滤波器配置。

                               
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图 15：MAXM17575 评估板传导 EMI 测试结果。蓝色：准峰值；绿色：平均值

                               
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EMI 滤波器配置 — 辐射 EMI 测试

                               
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图 16：用于辐射 EMI 试验的 MAXM17575 评估板 EMI 滤波器配置。
MAXM17575 本质上具有极低的辐射 EMI。对于辐射测试，传导 EMI 测试中所示的输入滤波器不需要也没有使用。使用输入滤波器能够为辐射测试提供更大的裕量。

                               
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图 17：MAXM17575 评估板辐射 EMI 测试结果。


总结

提前规划系统的 EMI 合规性对于项目成功至关重要。本文讨论了最大程度降低 EMI 的常见技术， 还提供关于电源滤波设计、良好 PCB 布局、屏蔽实践的指南以及实践示例。精心规划的设计应使用正确的滤波器、低 EMI PMIC/元件以及/或者低 EMI 电源模块，再加上良好的 PCB 布局和屏蔽技术，这样将能够保证大概率一次性成功。

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