在選擇一款符合 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)的低 EMI 電源之前 您應(yīng)該了解些什么呢?

引言

由于市場對于提升信息技術(shù)和通信設(shè)備性能的需求，因此如今的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著必需設(shè)計(jì) EMI 兼容產(chǎn)品的巨大挑戰(zhàn)。在銷售之前，所有通常被規(guī)定為具有一個(gè)高于 9kHz 之已調(diào)時(shí)鐘信號的信息技術(shù)設(shè)備 (ITE) 都必須滿足相關(guān)的政府標(biāo)準(zhǔn)，例如美國的 FCC Part 15 Subpart B 和歐盟的 EN55022，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了工業(yè)和商業(yè)環(huán)境 (Class A) 以及家庭環(huán)境 (Class B) 的最大可容許輻射發(fā)射。鑒于此類嚴(yán)格的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)、工程人力資源限制和產(chǎn)品快速上市要求，使得通過 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證之電源模塊的普及率有所提高。然而重要的是必須知曉電源模塊在認(rèn)證時(shí)所處的電氣操作條件，以避免在之后的設(shè)計(jì)過程中感到詫異。對開關(guān)模式穩(wěn)壓器中的 EMI 干擾源和場強(qiáng)因子有所了解將有助于設(shè)計(jì)工程師選擇最佳的組件，以減輕特別是那些所需電流水平較高之尖端設(shè)備中的電磁輻射。

圖 1：FCC 輻射限值 (USA) 和 EN55022 Class B 輻射限值 (歐盟)

EMI 輻射源

由于其特殊的性質(zhì)，開關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生輻射到周圍大氣中的電磁波。脈沖電壓和電流將因開關(guān)動(dòng)作而出現(xiàn)，并直接影響輻射電磁波的強(qiáng)度 (見邊欄)。此外，轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的寄生器件也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。圖 2 給出了一款典型的降壓型轉(zhuǎn)換器，其包括功率 MOSFET 的寄生電感器和寄生電容器。

圖 2：具寄生電感器和電容器的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器

在每個(gè)開關(guān)周期里，存儲(chǔ)在寄生電感器中的能量將和存儲(chǔ)于寄生電容器中的能量發(fā)生共振。當(dāng)能量釋放時(shí)將在開關(guān)節(jié)點(diǎn) (VSW) 上產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓尖峰，其最大可達(dá)輸入電壓的兩倍，如圖 3 所示。當(dāng) MOSFET 的電流能力增加時(shí)，存儲(chǔ)在寄生電容器中的能量往往也會(huì)增加。另外，開關(guān)動(dòng)作還使輸入電流以及流過頂端 MOSFET (ITOP) 和底端 MOSFET (IBOT) 的電流產(chǎn)生脈動(dòng)。此脈沖電流將在輸入電源電纜和 PCB 板印制線 (其充當(dāng)了發(fā)射天線) 上產(chǎn)生電波，從而產(chǎn)生輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射。

當(dāng)輸入電壓和輸出電流增加時(shí)，每個(gè)周期中功率電感器改變極性時(shí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)上的電壓尖峰也將增大。而且，輸出電流越高，電路回路內(nèi)部產(chǎn)生的脈沖電流越大。因此，輻射發(fā)射在很大程度上取決于被測試器件所處的電氣操作條件。一般來說，輻射噪聲將隨著輸入電壓和輸出功率 (特別是輸出電流) 的提高而增加。由于作為低噪聲替代方案的線性穩(wěn)壓器效率過低，而且在高電壓和高功率級別下耗散過多的熱量，因此設(shè)計(jì)工程師不得不克服因采用最先進(jìn)的開關(guān)電源解決方案而引發(fā)的難題，其中的 EMI 抑制變得頗為棘手。

圖 3：12V 輸入降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器中的典型開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓尖峰和振鈴

EMI 抑制

用于降低來自開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的輻射 EMI 之替代方法面臨著其他的難題。一種傳統(tǒng)方法是在電源解決方案周圍增設(shè) EMI 屏蔽，其將在金屬外殼內(nèi)包含一個(gè) EMI 場。然而，EMI 屏蔽會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性、尺寸和成本。在開關(guān)節(jié)點(diǎn)上 (VSW) 布設(shè)一個(gè) RC 減振器電路可幫助減小電壓尖峰和后續(xù)的振鈴?？墒?，增設(shè)一個(gè)減振器電路將降低工作效率，從而增加功率耗散，導(dǎo)致環(huán)境溫度和 PCB 溫度升高。最后一種對策是采取優(yōu)良的 PCB 布局方案，包括使用局部低 ESR 陶瓷去耦電容器，并為所有的大電流通路采用簡短的 PCB 走線間隔，以最大限度地抑制圖 2 中所示的寄生效應(yīng)，不過代價(jià)是增加了工程設(shè)計(jì)時(shí)間并延緩了產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

總的說來，為了同時(shí)滿足尺寸、效率、熱耗散和 EMI 規(guī)格要求，工程師必需具備豐富的電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并做出艱難的權(quán)衡取舍，特別是在高輸入電壓、高輸出功率應(yīng)用中 (原因如上所述)。為了評估折衷策略和設(shè)計(jì)一款符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)并滿足所有系統(tǒng)要求的電源轉(zhuǎn)換器，電路設(shè)計(jì)人員常常需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。

保證符合EMI 標(biāo)準(zhǔn)的解決方案

為了對一款簡單和符合 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的高輸出功率電源設(shè)計(jì)提供保證，凌力爾特公司向一家獨(dú)立的認(rèn)證測試實(shí)驗(yàn)室 (TUV Rheinland) 提交了 LTM4613 8A 降壓型 µModule® 穩(wěn)壓器演示板 (DC1743 )，該實(shí)驗(yàn)室的 10 米 EN55022 試驗(yàn)箱得到了美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (U.S. National Institute of Standards and Technology — NIST) 的正式認(rèn)可。在一個(gè) 24V 輸入提供 96W 輸出功率的情況下，發(fā)現(xiàn) LTM4613 演示板符合 EN55022 Class B 限值。只需采用輸入電容、輸出電容和少量的其他小型組件，即可輕松實(shí)現(xiàn)一款符合 EN55022 標(biāo)準(zhǔn)的“無憂型”解決方案，特別是在采用可免費(fèi)下載的 DC1743 光繪 (Gerber) 文件的情況下。