开关电源的EMI（电磁干扰）设计涉及传导干扰和辐射干扰的抑制，以下是关键设计公式和原则的中文总结：

1. 传导EMI设计

传导EMI主要通过电源线传播，分为差模干扰和共模干扰：

• 差模干扰（电流环路干扰）： [ V{DM} = I{peak} \cdot f{sw} \cdot L{loop} ]

  • (I_{peak})：开关电流峰值
  • (f_{sw})：开关频率
  • (L_{loop})：电流环路寄生电感

• 共模干扰（对地干扰）： [ V{CM} = C{para} \cdot \frac{dV}{dt} ]

  • (C_{para})：开关器件对地的寄生电容
  • (\frac{dV}{dt})：开关节点电压变化率

2. 辐射EMI设计

辐射EMI由高频磁场或电场耦合产生：

• 磁场辐射强度（环路面积主导）： [ B = \frac{\mu0 \cdot I{peak} \cdot A}{2\pi r^3} ]

  • (A)：电流环路面积
  • (r)：测量点到环路的距离

• 电场辐射强度（高频电压变化主导）： [ E \propto f{sw}^2 \cdot V{sw} \cdot C_{stray} ]

  • (V_{sw})：开关电压幅值
  • (C_{stray})：器件间杂散电容

3. EMI滤波器设计

• LC滤波器截止频率： [ f_c = \frac{1}{2\pi \sqrt{L \cdot C}} ]

  • 需确保 (fc \ll f{sw}) 以有效衰减高频噪声。

• 共模扼流圈阻抗： [ Z{CM} = 2\pi f \cdot L{CM} ]

  • 共模电感 (L_{CM}) 需在开关频率处提供高阻抗。

• X电容（差模滤波）和Y电容（共模滤波）：

  • X电容容量：(C_X \approx 0.1\text{μF} \sim 1\text{μF})（跨接在L-N线间）
  • Y电容容量：(C_Y \leq 4.7\text{nF})（跨接在L/G、N/G间，需满足安规）

4. PCB布局关键原则

• 高频环路面积最小化： [ A{loop} \propto \frac{dI/dt}{f{sw}} ]

  • 缩小功率回路（如输入电容、开关管、电感的路径）。

• 地平面设计：

  • 单点接地，避免地环路；多层板中使用完整地平面降低阻抗。

• 关键路径长度限制： [ l{trace} < \frac{\lambda}{20} = \frac{c}{20f{sw}\sqrt{\varepsilon_r}} ]

  • (\lambda)：信号波长，(\varepsilon_r)：板材介电常数。

5. 安全间距与屏蔽

• 爬电距离与电气间隙：
  • 空气击穿强度：(3\text{kV/mm})，需根据电压等级预留间距（如220V输入至少3mm）。
• 屏蔽设计：
  • 对高频辐射源（变压器、电感）使用铜箔或磁屏蔽材料。

注意事项

1. 开关频率选择：提高(f_{sw})可缩小磁性元件体积，但会加剧高频EMI。
2. 缓冲电路（Snubber）：抑制开关管电压尖峰，公式： [ R{snubber} = \sqrt{\frac{L{leak}}{C{snubber}}}}, \quad C{snubber} \geq \frac{I{peak}^2 \cdot L{leak}}{V_{ring}^2} ]
3. 测试标准：需符合CISPR 32、FCC Part 15等法规的限值要求。

通过合理选择拓扑、优化布局、设计滤波电路，并结合仿真和测试，可有效降低开关电源的EMI。