降低EMI标准实现符合CISPR 22标准的电源解决方案

系统工程师担心在产品开发周期结束时无法通过电磁干扰 （EMI） 一致性测试的前景。如果发生这种情况，可能会导致产品运输计划受到重大挫折，还可能引发昂贵的总功率重新设计。本应用笔记探讨了如何使用精心规划的电源解决方案设计，利用适当的滤波器、低EMI元件、低EMI功率稳压器IC和/或低EMI功率模块，以及良好的PCB布局和屏蔽技术，实现一次通过EMI的成功。

了解 EMI 噪声

当电子设备连接到另一个产生电磁干扰 （EMI） 的电子设备、与另一个电子设备共享同一电源或靠近另一个电子设备时，EMI 可能会中断设备的运行。EMI是传导或辐射的，与EMI相关的问题会阻止相邻的电子设备彼此并排工作。

EMI有许多常见的例子：

来自微波炉的干扰会影响附近的 Wi-Fi® 信号

发射器会妨碍当地电视台显示图片，导致整个画面消失或画面图案化

手机与通信塔握手以处理呼叫可能会导致干扰，这就是为什么客机要求乘客在飞行期间关闭手机的原因

低空飞行的飞机会干扰收音机或电视上的音频/视频信号

鉴于电子设备在我们生活中的普及，电磁兼容性（EMC）问题已成为一个重要的话题。因此，出现了标准机构，以确保电子设备的正常运行，即使有EMI，就可以在几乎任何电子设备附近操作手机和其他无线设备，而几乎没有影响。设计人员已采取措施确保设备不会辐射不必要的辐射，并使设备不易受到射频辐射的影响。

根据 EMI 规范进行设计

CISPR 22 EMI 规范（在欧洲通常称为 EN55022）将设备、设备和装置分为两类：

B类：打算在家庭环境中使用并符合CISPR 22 B类排放要求的设备，装置和装置。

A 类：不符合 CISPR 22 B 类排放要求但符合不太严格的 CISPR 22 A 类排放要求的设备、装置和装置。A 类设备必须具有以下警告：“这是 A 类产品。在家庭环境中，本产品可能会造成无线电干扰，在这种情况下，可能需要用户采取适当的措施。

表 1、表 2、表 3 和表 4 显示了 CISPR 22 规范。

EMI测试包括传导和辐射发射测试。传导发射测试在150kHz至30MHz的频率范围内进行，这是交流电流传导到线路源的地方，并使用两种方法进行测量：准峰值和平均值。每种方法都有自己的限制。

辐射发射测试在30MHz至1GHz的较高射频范围内进行。此范围是被测设备 （DUT） 的辐射磁场。1GHz的测试上限适用于内部振荡器频率高达108MHz的DUT。表5列出了扩展的上限范围，这些范围取决于最大内部振荡器频率。

表 1.CISPR 22 B 类传导电磁干扰规范

 

频率范围 兆赫 限 值分贝 （μV） 准峰值 平均 0.15 到 0.50 66 到 56 56 到 46 0.50 到 5 56 46 5 到 30 60 50

 

表 2.CISPR 22 A 类传导 EMI 规范

 

频率范围 兆赫 限 值分贝 （μV） 准峰值 平均 0.15 到 0.50 79 66 0.5 到 30 73 60

 

表 3.CISPR 22 B 类辐射 EMI 规范

 

频率范围兆赫	准峰值限值 dB （μV/m）
30 到 230	30
230 到 1，000	37

 

表 4.CISPR 22 A 类辐射电磁干扰

 

频率范围兆赫	准峰值限值 dB （μV/m）
30 到 230	40
230 到 1，000	47

 

表 5.具有 DUT 内部振荡器频率的扩展测试上限范围

 

测试上限范围	DUT 最大内部振荡器频率
1千兆赫	108兆赫
2千兆赫	500兆赫
5千兆赫	1千兆赫
6千兆赫	高于 1GHz

 

开关电源：噪声源在哪里？

开关电源会产生电磁能量和噪声，并受到外部侵略者电磁噪声的影响。开关电源产生的噪声可以是传导或辐射发射的形式。传导发射可以采用电压或电流的形式，每种形式都可以分为共模或差模。此外，连接线的有限阻抗使电压传导能够引起电流传导，反之亦然，差模传导会导致共模传导，反之亦然。

为了更详细地了解开关电源中的噪声源，图1给出了简化的降压稳压器原理图。

图1.简化的降压稳压器原理图。

传导电磁干扰

如图1所示，输入电流（I我） 是脉冲波形，它是传导、差分 EMI 注入电源的主要来源 （VS).传导辐射主要由转换器输入端快速变化的电流形状（di/dt）驱动。传导辐射值以转换器输入端的电压（VS） 使用线路阻抗稳定网络 （LISN）。输入电容（C我） 滤除交流（脉冲）分量。净电流（IS） 是 I 之间的差值我和我词.我S必须是直流或尽可能平滑。如果 C我是具有无限电容的理想电容器，它将保持V我恒定且有效地过滤掉I 的所有交流组件1，留下恒定 （DC） 电流从源极 V 流出S以及源阻抗两端的恒定直流压降（RS).在这种情况下，传导EMI为零，因为IS是直流电流。实际上，在输入源和转换器之间使用π滤波器，以将传导EMI控制在监管限值内。

与便携式系统相比，传导发射通常会给固定系统带来更大的问题。由于便携式设备使用电池供电，因此负载和电源没有用于传导发射的外部连接。

辐射电磁干扰

辐射EMI是快速变化的磁场，其高频含量为30MHz及以上。磁场由电路的电流环路产生。这些磁场的变化，如果没有适当的滤波或屏蔽，可能会耦合到附近的其他电路和/或设备中，并导致辐射EMI效应。

图2.简化的降压稳压器原理图及其快速di/dt电流环路。

图2所示为具有快速di/dt电流环路I的降压转换器1和我2.电流回路I1在 S 的导通时间进行1打开且 S2已关闭。电流回路I2在休息时间进行，当 S1关闭且 S2已打开。电流环路的脉动性质 I1和我2引起磁场的变化，其磁场强度与电流大小和传导回路面积的变化成正比。快速di/dt电流边沿在调节辐射范围内产生高频谐波和EMI。保持这些电流环路的面积小可以最大限度地降低场强。减慢这些边沿会降低开关稳压器的高频谐波含量，但由于能量浪费，缓慢的转换会影响稳压器的效率。本应用笔记介绍了在不影响效率的情况下将EMI辐射降至最低的技术。

图3.电流环路产生的磁场。

电压节点LX（也被一些供应商称为SW等其他名称）是连接到电感器的矩形波（暂时忽略寄生振铃）。Fast LX的dv/dt电压不连续边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。最小化输出电感的寄生电容可以减少这种噪声耦合问题。LX还具有高频寄生振铃，可以通过使用从LX到GND的RC缓冲器网络来减少。

上述EMI噪声源的相同原理也适用于其他开关转换器拓扑。但是，噪声的严重性取决于特定拓扑的电流和电压波形。考虑在连续导通模式下运行的升压转换器。在这种情况下，转换器的输入端具有较少的传导EMI分量，因为与降压转换器相比，输入电流更连续。

在设计过程中预先设计和规划EMI合规性对于项目成功至关重要。在游戏后期这样做会使该过程具有挑战性、耗时且成本高昂。线路滤波、电源设计、适当的PCB布局和屏蔽是将EMI降至最低的一些常用技术。

设计 EMI 线路滤波

输入源和电源转换器之间的π滤波器可降低功率转换器的传导辐射。通过执行步骤选择筛选器组件，如下所示：

1. 确定输入阻抗R在.降压转换器的最差情况下闭环输入阻抗为R在= RO/D2对于所有频率，其中 RO是输出负载，D是工作占空比。当转换器在最小输入电源电压下工作时，会出现最小输入阻抗。

示例：考虑Maxim的喜马拉雅SiP电源模块之一MAXM17575，4.5V在至 60V在， 0.9V外至 54V外可提供高达 1.5A 的电流。以MAXM17575评估板（EV kit）为例，最小输入电压为7.5V。输出负载为 Rο = Vο/Iο = 5V/1.5A = 3.3Ω。最大工作占空比为 D = Vο/V英敏= 5V/7.5V = 0.66。因此，可能的最小输入阻抗为 R在= Rο/D2= 3.3Ω /0.662= 7.6Ω.

2. 设计输出阻抗≤比R低10db的EMI滤波器在.增加输入滤波器会影响DC-DC转换器的性能。为了将影响降至最低，滤波器的输出阻抗必须始终小于功率转换器的输入阻抗，直至转换器的交越频率。

图4.传导EMI输入滤波器，插入输入和电源模块之间。

LC滤波器在其谐振频率（最高值）下的输出阻抗如下：

滤波器的有效阻抗比降压转换器的输入阻抗小10dB，大约等于输入阻抗的三分之一。对于MAXM17575示例，所需的Zο为≤R在/3 = 7.6/3 = 2.5Ω，所有频率最高可达MAXM17575电路的交越频率，即45kHz。

设计 PCB 布局以实现 EMI 合规性

PCB布局对EMI合规性有重大影响。糟糕的PCB布局可能会破坏具有完美电气设计的电源转换器。基于相同的降压转换器示例，以下是PCB布局的一些最佳实践，以最大程度地减少EMI噪声源：

最小化高di/dt电流环路。

正确放置 Lο、Cο 和 S2靠近在一起以最小化 I2电流环路。

将整组组件靠近 S 放置1和 C1以最小化 I1电流环路。

使用法拉第盾牌。法拉第屏蔽或笼子是用于阻挡电磁场的外壳。在电力系统中实现法拉第屏蔽有两种常见的方法。

由导电材料（如铜）制成的笼子，用于包围整个电力系统或设备。电磁场包含在笼子内。然而，这种方法通常很昂贵，因为保持架材料和额外的装配劳动力的成本。

PCB顶部和底部都有屏蔽接地层的布局，通过通孔连接，以模仿法拉第笼。所有高di/dt回路都放置在PCB的内层，以便我们的法拉第笼屏蔽磁场向外辐射。如图6所示，这种方法成本较低，通常足以控制EMI。

遵循这些PCB布局最佳实践提供了一种合理的方法，可以实现EMI法规遵从性，而不会因降低开关边沿而降低功率转换器效率。

考虑Maxim的喜马拉雅宽输入IC，MAX17502，工作在4.5V电压在至 60V在， 0.9V外至 54V外提供 1A 电流。以下是MAX17502 EMI评估板PCB布局，采用法拉第屏蔽技术（b）。图7a显示了用作法拉第屏蔽的顶层和底层。图 7b 显示了用于路由的第二层和第三层内层。第二层用作额外的屏蔽，但也可用于路由跟踪。在这种布局中，高di/dt电流环路I1和我2在第三层布线，该层完全封闭在我们的法拉第盾中。

图 7a.顶层和底层用作法拉第盾牌。

图 7b.第二层和第三层（内部），在第三层路由高di/dt环路。

图8和图9所示为MAX17502 EMI评估板的EMI测试结果，该评估板通过CISPR 22 B类认证，裕量良好。

图8.MAX17502 EMI评估板传导EMI测试结果。左：准峰值，右：平均。

图9.MAX17502 EMI评估板辐射EMI测试结果。

具有低 EMI 的功率组件

由于来自输出电感器的磁场也会辐射并导致EMI问题，因此使用低EMI电感可降低辐射EMI。建议使用屏蔽电感器，因为磁场是屏蔽的，并且包含在电感器结构内。避免使用磁能可以自由辐射的电感器类型。使用屏蔽电感器并采用良好PCB布局实践的功率模块表现出良好的EMI性能。

低 EMI 功率稳压器和模块

Maxim的喜马拉雅稳压器和功率模块系列采用低EMI功率电感和良好的PCB布局实践，提供固有的低EMI电源解决方案。与市场上其他简单的切换台不同，使用 Himalaya 解决方案意味着您无需担心合规性。Maxim已完成IC、模块和示例参考布局的所有工作，因此您可以以最佳成本通过CISPR 22（EN 55022）。下面显示了示例MAXM17575的EMI测试结果以及输入EMI滤波器信息：

表 6.MAXM17575的电磁干扰测试结果

 

测试物品（EUT） MAXM17575 结果 通过 EN55022 （CISPR 22） B 类 被测设备修订版 修订版-P1 输入电压 24V 正极 输出电压 5.0V 开关频率 900千赫兹 输出电流 1.5安培

 

EMI 滤波器配置 − 传导 EMI 测试

图 10.MAXM17575评估板EMI滤波器配置，用于传导EMI测试。

表 7.用于传导测试结果的滤波器组件

 

过滤器组件	价值	部件号	制造者
电感-L1	10微小时	PA4332.103NLT	脉冲电子
电容器-C1	0.1μF	GRM188R72A104KA35	村田制作所
电容器-C2， C3	0微克	GRM32CR72A105KA35	村田制作所
电容器-C4	10μF	EEE-TG2A100P	松下
电容器-CIN	2.2μF	GRM32ER72A225KA35	村田制作所

 

图 11.MAXM17575评估板传导EMI测试结果。蓝色：准峰值，绿色：平均。

EMI 滤波器配置 − 辐射 EMI 测试

图 12.MAXM17575评估板EMI滤波器配置，用于辐射EMI测试。

MAXM17575具有极低的辐射EMI。所示的传导EMI测试输入滤波器不是必需的，也不用于辐射测试。使用输入滤波器可为辐射测试结果提供额外的通过裕量。

表 8.用于辐射测试结果的滤波组件

 

过滤器组件	价值	部件号	制造者
电容器-C1	0.1μF	GRM188R72A104KA35	村田制作所
电容器-C2	10微克	EEE-TG2A100P	松下
电容器-CIN	2.2μF	GRM32ER72A225KA35	村田制作所

 

图 13.MAXM17575评估板辐射EMI测试结果。

结论

在设计周期的最早阶段解决设计的EMI合规性对于项目成功至关重要。本应用笔记介绍了最大限度降低EMI的常用技术，以及线路滤波设计、良好PCB布局和屏蔽实践的指南和示例。使用适当的滤波器（低EMI PMIC、元件和/或电源模块）和良好的PCB布局技术和屏蔽来应用精心规划的设计，可以让您走上正确的轨道，实现一次通过的成功。

审核编辑：郭婷