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解读电源模块简化低EMI设计方案

时间:2018-12-06 08:48:58来源: 作者:admin 点击:
本文将介绍开关电源中EMI的以及降低EMI的方法或技术。本文还将向您展示电源模块(控制器、高侧和低侧FET及电感器封装为一体)如何帮助降低EMI。

解读电源模块简化低EMI设计方案


首先要明白什么是EMI;EMI就是电磁干扰,电磁干扰分为传导电磁干扰(Conducted EMI)和辐射电磁干扰(Radiated EMI)。在设计开关电源的时候,必须考虑EMI。


在设计开关电源时,您可能听说过电磁干扰(EMI)越来越多的应用必须通过EMI标准,制造商才获得商业转售批准。开关电源意味着器件内部有电子开关,EMI可通过它产生辐射。
  本文将介绍开关电源中EMI的以及降低EMI的方法或技术。本文还将向您展示电源模块(控制器、高侧和低侧FET及电感器封装为一体)如何帮助降低EMI。
  开关电源中EMI的
  首先,必须尊重物理定律。根据麦克斯韦方程组,交流电可产生电磁场。每个电导体中均会出现这种现象,其自身带有一些可以形成振荡电路的电容和电感。该振荡电路以特定频率(f=1/(2*π*sqrt(LC)))将电磁能辐射到空间中。该电路充当电磁能的发射器,但也可以接收电磁能并充当接收器。天线设计是为了最大化传输或接收能量。
  但并非每个应用都应该像天线一样,而且这种设计可能会产生负面影响。例如,开关降压电源设计用于将较高的电压转换为较低的电压,但它们同时也充当了(有害的)电磁波发射器,可能干扰其他应用,例如干扰AM频段。这种效应称为EMI。
  为了确保功能正常运行,最大限度地减少EMI源非常重要。国际无线电干扰特别委员会(CISPR)定义了各种标准,如作为汽车电气应用基准的CISPR 25,以及针对信息技术设备的CISPR 22。
  如何降低电源设计的EMI辐射呢?一种方法是用金属完全屏蔽开关电源。但在大多数应用中,由于成本和空间的原因,这种方法无法实现。一种更好的方法是减少和优化EMI源。许多文献已经详细讨论了这一专题;本文推荐了两种方式。
  让我们回顾一下开关电源中EMI的主要,以及为什么电源模块可以帮助您轻松降低EMI。
  减小布局中的电流环路
  顾名思义,开关电源是用来进行转换的。它们的作用是以几百千赫到几兆赫的频率打开和关闭输入电压。这就导致了快速电流转换(dI/dt)和快速电压转换(dV/dt)。根据麦克斯韦方程组,交流电流和电压产生交变电磁场。这些电磁场从其原点径向扩散,它们的强度随距离而降低。


  图1.来自开关电源的EMI会对负载和主电源产生影响。


  图2.在输入端、开关和输入电容器之间形成临界电流环路。


  图3.减小环路区域有助于降低EMI
  磁场和电场会干扰应用的导电部件(例如,印刷电路板[PCB]上的铜迹线,就像天线一样)并在线路上产生额外的噪声,这样又会导致发生EMI(见图1)。实际上几瓦功率的转换就会扩大EMI的辐射范围。


  图4.引脚排列有助于减小环路面积。左图:优化的引脚排列;右图:非优化布局,几乎无法形成良好的布局。
  辐射的电磁能与其流过的电流量(I)和环路面积(A)成正比。减小交流电流和电压环路的面积有助于降低EMI(见图2和图3)。
  着眼于引脚排列(见图4)可以帮助您通过减小高dI/dt环路面积来更好地设计良好布局。例如,开关节点能够引发高电流变化(dI)和高电压转换(dV)。良好的引脚排列可以分离噪声敏感引脚和噪声引脚。开关节点和启动引脚应尽可能远离噪声敏感型反馈引脚。此外,输入引脚和接地引脚应相邻。这样便简化了PCB上的布线和输入电容器的放置。
  图5显示了LMR23630SIMPLE SWITCHER?转换器的改进评估模块(EVM)。两个输入电容器距离输入引脚约2.5厘米。之所以如此排列,是为了模拟不良布局,因为电流环路区域(图5中的红色矩形)比数据表所要求和建议的要大。图5中的椭圆形红色形状表示转换器和电感器之间的开关节点。IC和电感器之间的环路面积越小越好。


  图5.输入引脚和输入电容器之间环路面积(红色矩形)较大的错误布局示例。在IC和电感器之间形成第二个环路区域(椭圆形红色形状)。
  图6中的曲线图显示了LMR23630转换器的EMI辐射,其中只有VIN、GND和输入电容器之间形成的环路面积不同。良好的布局中电容器尽可能靠近输入引脚和接地引脚(环路面积尽可能地小)。而不良的布局中输入电容器距离输入引脚2.5厘米,从而形成一个较大的环路面积。


  图6.LMR23630转换器输入电容布局对EMI辐射的影响。
  图6中曲线图的红线表示不良布局的EMI辐射。蓝线表示采用相同EVM的良好布局的EMI辐射。修改一个环路面积会产生巨大的影响。LMR23630转换器的EMI辐射水平可降低20 dBμV/m以上。www.dvdkodomo.com

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