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通过节省时间和成本的创新技术降低电源中的EMI

   2021-11-30 安规与电磁兼容网TI1000
本文导读:随着电子系统变得越来越密集并且互连程度越来越高,降低电磁干扰 (EMI) 的影响日益成为一个关键的系统设计考虑因素。本白皮书分析了开关模式电源中的 EMI,并提供了一些可帮助设计人员快速且轻松地通过业界通用 EMI

随着电子系统变得越来越密集并且互连程度越来越高,降低电磁干扰 (EMI) 的影响日益成为一个关键的系统设计考虑因素。本白皮书分析了开关模式电源中的 EMI,并提供了一些可帮助设计人员快速且轻松地通过业界通用 EMI 测试的技术示例。

1 什么是 EMI?

EMI 是一种电磁能量(开关电流和电压的不良副产物),它来自多种物理现 象,可在严格的 EMI 测试中表现出来。

2 降低 EMI 的常规方法

降低 EMI 是一项需要进行各种权衡的棘手工作。降低 EMI 的 常规方法包括使用大型且昂贵的滤波器或降低开关压摆率,该技术会直接影响效率。

3 降低 EMI 的创新技术

为了实现开关模式电源的所有优势,EMI 降低技术对于平衡传统的权衡要素而言 至关重要。这需要采用适用于低频和高 频 EMI 的创新解决方案以及精确的建模技术。

鉴于 EMI 可能在后期严重阻碍设计进度,浪费大量时间和资金,因此必须在设计之初就考虑 EMI 问题。

开关模式电源 (SMPS) 是现代技术中普遍使用的电路之一,在大多数应用中,该电路可提供比线性稳压器更大的效率。但这种效率提高是有代价的,因为 SMPS 中功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET) 的开关会产生大量 EMI,进而影响电路可靠性。EMI 主要来自不连续的输入电流、开关节点上的快速压摆率以及由电源环路中寄生电感引起的开关边沿额外振铃。

下页图 1 以降压转换器拓扑为例,说明了不同频带下各个因素的影响。随着设计压力不断提升,通过提高开关频率来降低尺寸和成本,以及通过增大压摆率来提高效率,使 EMI 问题变得更加严重。因此,有必要采用不影响电源设计、同时具有成本效益且易于集成的 EMI 缓解技术。

什么是 EMI?

在要求电磁兼容性(EMC)的系统中,设计时应降低干扰源组件的干扰性和易受干扰的组件的敏感性。当终端设备制造商集成来自不同供应商的组件时,确保具有干扰性的组件和易受干扰的电路能够互不影响的唯一方法是建立一套共同的规则,其 中,具有干扰性的组件的干扰性被限制在一定范围之内,使得易受干扰的电路能够在此范围内降低影响。

这些规则是根据业界通用规范(如适用于汽车行业的国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 25 和适用于多媒体设备的 CISPR 32)建立的。CISPR 标准决定了任何 EMI 缓解技术的最终性能,因此对于 EMI 设计至关重要。由于SMPS是典型的电磁干扰源, 因此本白皮书的重点是讨论如何减少此类干扰。如需获取 EMI 标准的完整列表,请参阅白皮书《电源的传导 EMI 规格概述》和《电源的辐射 EMI 规格概述》。

 

 

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  图 1.SMPS 中的 EMI 源示例

 

除了解给定应用的相应标准之外,了解如何测量 EMI 也很重要,这将帮助您深入了解如何降低 EMI。EMI 测量通常分为传导 EMI 测量和辐射EMI 测量,顾名思义,这同时说明了 EMI 的测量方法和产生机理。尽管传导发射通常与较低的频 率 (《30MHz) 相关,辐射发射通常与较高的频率(》30MHz) 相关,但这两者之间的区别并不是那么简单,因为传导频率范围和辐射频率范围有所重 叠。

传导发射测量旨在量化从器件产生并返回到其电源的 EMI。对于许多应用而言,降低这些发射至关重要,因为同一电源线通常都连接着许多其他敏感电路。在现代汽车中,长线束的数量不断增加,因此降低长线束的传导 EMI 尤为重要。

图 2 显示了用于传导发射的通用测试设置,包括电源、线路阻抗稳定网络 (LISN)、EMI 接收器、电源线和被测器件 (DUT)。LISN 扮演着关键角色, 可充当低通滤波器,确保 EMI 测量的可重复性和可比性,并为 DUT 提供精确的阻抗。图 2 还说明了将传导发射细分为共模 (CM) 电流和差模 (DM) 电流。DM 电流在电源线与其返回路径之间流动, 是较低频率范围内的主要因素。CM 电流在每条电源线与接地之间流动,是较高频率范围内的主要因素。

辐射 EMI 测量的设置与传导 EMI 测量类似,主要区别在于前者的 EMI 接收器不是直接连接到 LISN, 而是连接到附近的天线。SMPS 中的辐射能量来自产生磁场的快速瞬态电流环路以及产生电场的快速瞬态电压表面。由于产生辐射磁场的电流环路也产生 DM 传导发射,并且产生辐射电场的电压表面也产生 CM 传导发射,因此许多 EMI 缓解技术都可以降低传导发射和辐射发射,但可能专门针对其中一项。

通常,通过大型无源滤波器来缓解较低频率的发 射,会增加解决方案的电路板面积和成本。高频发射在测量、建模和缓解方面面临着不同的挑战,这主要是其寄生性质导致的。常见的高频发射缓解技术包括控制压摆率和减小寄生效应。图 3 总结了本白皮书中包含的缓解技术、这些技术适用的频带以及 CISPR 25 标准中的频率范围示例。

 

 

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图 2.用于传导发射测量的通用测试设置,其中 DM和 CM 环路分别以青色和红色突出显示

 

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图 3.本白皮书中介绍的 EMI 缓解技术汇总

降低 EMI 的常规方法(面向低频和高频范围)

当其他系统共享公共物理触点时,由 SMPS 中不连续电流产生的输入电压纹波可能会传导到这些系统中。如果没有适当的缓解措施,那么过大的输入或输出电压纹波可能会影响电源、负载或相邻系 统的运行。过去,您可以使用基于无源电感电容器(LC) 的 EMI 滤波器来显著减小输入纹波,如图 4 所示。LC 滤波器可提供满足 EMI 规格所必需的衰减。代价是会使系统的尺寸和成本增大(具体取决于所需的衰减),这将降低总功率密度。此外,用于输入 EMI 滤波器设计的大型电感器会因其自谐振频率较低而在高于 30MHz 的频率范围内无法衰减,从而需要铁氧体磁珠等附加组件处理高频衰减。

缓解 EMI 的另一种传统方法是使用扩频(或时钟抖动)来调制 SMPS 的开关频率,这将降低与基本开关频率及其谐波相关的频谱峰值,但代价是使本底噪声增大,如图 5 所示。

扩频是一项有吸引力的技术,因为它易于实现并且您可以将其与其他 EMI 降低方法结合使用。但该技术不是万灵药,因为它只能相对降低现有的 EMI, 并且根据其特性,其性能会在开关频率较低时降 低。此外,您通常只能将扩频应用于单个频带,原因将在下一节中说明。

为了更大程度地减小滤波电感器的尺寸,您可以为 SMPS 设计选择更高的开关频率。不过,对于切换器操作,需避免使用敏感频带。例如,以前汽车电源解决方案的推荐开关频率一直处于 AM 以下频带(约 400kHz)。通过选择较高的开关频率来显著减小电感器尺寸,意味着您必须避开整个 AM 频带(525kHz 至 1,705kHz),从而在更严格的汽车 EMI 频带上不会产生基本的开关杂散。

 

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图 4.典型的用于降低 EMI、基于 LC 的无源滤波器,以及实现的衰减

 

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图 5.采用扩频技术和未采用扩频技术的 SMPS 频谱示例

 

德州仪器 (TI) 开关转换器的开关频率高于1.8MHz,可以满足 EMI 频带的要求。为降低开关损耗而提高开关频率的措施对开关转换上升和下降时间的要求更为严格。不过,具有很短上升和下降时间的开关节点即使在接近第 100 次谐波的高频率下,也能保持较高的能量(如图 6 所示),这再次突出了高效率与低 EMI 之间的权衡。

由于直流/直流转换器的电源路径中存在寄生电感, 因此高压摆率还会导致高频率开关节点振铃,这进一步增加了振铃频率及更高频率下的发射。下页图 7 显示了压摆率和开关节点相关振铃如何影响发射。限制由开关转换引起的 EMI 发射的传统方法是,通过在开关器件的栅极驱动路径中特意添加电阻来降低 EMI 发射的速度。这导致转换发生得更慢,从而使发射更快地滚降,并且使发射在振铃频率下降低 8 至 10dB。不过,这种开关边沿的减慢会导致开关转换器的峰值电流效率降低 2% 至3%。

 
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