簡介

　　在多種市場產(chǎn)品所使用的快速開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中，電磁干擾 （EMI） 是個特別的問題。一臺能在一個系統(tǒng)中達(dá)到法規(guī)要求的轉(zhuǎn)換器不一定可以自動符合另一個系統(tǒng)的要求。此外，系統(tǒng)也可能需要 EMI 濾波措施來達(dá)成法規(guī)要求，但這可能占用大量的整體系統(tǒng)空間、體積和成本，因此了解適用于不同產(chǎn)品應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。本文首先回顧開關(guān)轉(zhuǎn)換器中 EMI 的來源和類型，接著說明工業(yè)和汽車市場產(chǎn)品監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。最后，本文展示 Diodes 公司使用的技術(shù)，使其 DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器能夠符合嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)。

　　開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的 EMI 來源

　　現(xiàn)代電源供應(yīng)器中的開關(guān)器具有非常快速的開關(guān)時間，這代表了電壓和電流波形中的上升沿和下降沿變化更快。這些急劇的邊緣變化會在高頻下產(chǎn)生大量能量，這是開關(guān)模式電源供應(yīng)器中 EMI 的主要來源，這種高頻能量會導(dǎo)致電源供應(yīng)器內(nèi)的諧振槽產(chǎn)生振音。EMI 發(fā)射有兩種類型：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)發(fā)射是在連接到電源轉(zhuǎn)換器的電線和線路上產(chǎn)生的。由于這種噪聲會被局限在電路中的特定端子或接頭，因此良好的電路板配置操作和濾波器設(shè)計，可以在設(shè)計過程相對早期時便達(dá)成傳導(dǎo)發(fā)射要求。然而，輻射發(fā)射的處理則更具挑戰(zhàn)性，PCB 上所有承載電流的組件都會輻射電磁場。電路板上的每條走線都是一個天線，每個銅質(zhì)平面也都是一個諧振器；純正弦波或直流電壓以外的任何電壓，都會在整個信號頻譜上產(chǎn)生噪聲。即便經(jīng)過精心設(shè)計，電源供應(yīng)器設(shè)計人員也只有在系統(tǒng)經(jīng)過測試后，才能了解輻射發(fā)射的危害有多大?？上У氖?，輻射發(fā)射測試只能在設(shè)計完成后進(jìn)行。濾波器可以通過衰減特定頻率下的信號強度來減輕 EMI。加裝金屬屏蔽和磁性屏蔽也有助于減輕部分輻射發(fā)射，而鐵氧體磁珠和其他類型濾波器則可以幫助減少 PCB 走線的傳導(dǎo)發(fā)射。雖然這些措施無法完全消除 EMI，但可以使其衰減到不干擾其他通訊或數(shù)字組件的程度。

　　傳導(dǎo)發(fā)射 EMI 標(biāo)準(zhǔn)

　　許多監(jiān)管機構(gòu)對裝備產(chǎn)生的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射的容許程度均有所監(jiān)管，以維持電磁兼容性 （EMC）。

　　消費性產(chǎn)品

　　多年來，在歐盟境內(nèi)用于通訊和信息技術(shù) （IT） 終端設(shè)備的電源供應(yīng)器產(chǎn)品便符合著名的歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN 55022，該標(biāo)準(zhǔn)主要來自 CISPR 22 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。 不過，CISPR 22/EN 55022 近期已合并至 CISPR 32/EN 55032。此新發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)涵蓋多媒體設(shè)備，并已生效成為調(diào)和 EMC 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。EN 55022/32 Class A 和 Class B 傳導(dǎo)發(fā)射限制，涵蓋 150kHz 至 30MHz 頻率范圍內(nèi)的準(zhǔn)峰值和平均信號偵測器。用于住宅環(huán)境中的設(shè)備必須符合 Class B 限制，所有其他設(shè)備則必須符合 Class A 限制。

　　工業(yè)

　　CISPR 11 是工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 （ISM） 射頻 （RF） EMI 的國際產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，適用于各種設(shè)備，包括無線電力傳輸、充電設(shè)備、Wi-Fi 系統(tǒng)、電磁爐和電弧焊機。此外，部分工業(yè)終端設(shè)備還具備專用的系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)，以依據(jù) CISPR 11 進(jìn)行 EMC 測試。例如，IEC 61131-2 規(guī)定了工廠自動化和流程控制應(yīng)用中廣泛使用的可程序邏輯控制器 （PLC） 發(fā)射要求。其他系統(tǒng)級標(biāo)準(zhǔn)包括用于速度可調(diào)式馬達(dá)驅(qū)動系統(tǒng)的 EMC 規(guī)范 IEC 61800-3，以及適用于實驗室設(shè)備的 IEC 61326-1。

　　汽車

　　對于汽車電子產(chǎn)品設(shè)計者而言，相關(guān)傳導(dǎo)發(fā)射測試明確規(guī)范于 CISPR 25 中。此國際標(biāo)準(zhǔn)適用于汽車零部件和模塊，使用一或兩套 5?H/50Ω 人工網(wǎng)絡(luò) （取決于接地配置） 進(jìn)行測量。該標(biāo)準(zhǔn)表示「車載接收器保護(hù)」不受特定頻段 （150kHz 至 108MHz） 頻率范圍內(nèi)測量的傳導(dǎo)噪聲影響。這些頻率范圍分布在 AM 廣播、FM 廣播和移動服務(wù)頻段中，如圖 1 所示。CISPR 25 規(guī)范了峰值 （PK）、準(zhǔn)峰值 （QP） 和平均 （AVG） 信號偵測器的傳導(dǎo)發(fā)射限制。

　　圖 1. CISPR 25 Class 5 傳導(dǎo)發(fā)射限制

　　表 1 顯示了 Class 5 的限制，為 CISPR 25 中最嚴(yán)格的要求。這些限制相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，特別是 68MHz 至 108MHz 的 VHF 和 FM 頻段中的 18dBμV 平均值 （或 38dB?V 峰值） 限制，因為濾波器組件中的寄生效應(yīng)會降低此類頻率下的 EMI 濾波器衰減。

　　表 1. 傳導(dǎo) EMI 限制

　　表 2 顯示傳導(dǎo)發(fā)射適用標(biāo)準(zhǔn)摘要。CISPR 標(biāo)準(zhǔn)適用于歐盟的產(chǎn)品，而 FCC 則適用于美國的產(chǎn)品。

　　表 2. 傳導(dǎo)發(fā)射主要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)摘要

　　車用輻射發(fā)射 EMI 標(biāo)準(zhǔn)

　　CISPR 25 規(guī)范涵蓋車輛中的無線電接收標(biāo)準(zhǔn)，因此對各種無線電服務(wù)的頻段定義了相關(guān)限制。該標(biāo)準(zhǔn)包含使用車輛天線進(jìn)行組件或模塊發(fā)射測量，以及整體車輛發(fā)射測試。圖 2 顯示汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用組件/模塊使用峰值 （PK） 和 AVG 偵測器的 Class 5 輻射發(fā)射限制。最低測量頻率針對 150kHz 至 300kHz 的歐洲長波 （LW） 廣播頻段，最高頻率為 2.5GHz （藍(lán)牙和 Wi-Fi 傳輸）。使用輸出阻抗為額定50Ω 的線性極化電場天線進(jìn)行測量。CISPR 25 的輻射發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)比 FCC 或 CISPR22 更嚴(yán)格，接收器放置在距離被測裝置 （DUT） 1m 位置，而 CISPR 22 則為 10m。

　　圖 2. 使用內(nèi)襯吸波材料屏蔽圍體 （ALSE） 測試的 CISPR 25 Class 5 輻射限制

　　符合汽車規(guī)格的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器

　　AP64350Q 是一款符合汽車規(guī)格的 3.5A 同步降壓轉(zhuǎn)換器，具備 3.8V 至 40V 的寬廣輸入電壓范圍。該產(chǎn)品整合了 75mΩ 高側(cè)電源 MOSFET 和 45mΩ 低側(cè)電源 MOSFET，提供高效率的 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換功能；此外，本產(chǎn)品也精心設(shè)計了可降低 EMI 的功能，包括專有的閘極驅(qū)動器方案，可在不犧牲 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷時間的情況下抑制開關(guān)節(jié)點振音，以減少 MOSFET 開關(guān)引起的高頻輻射 EMI 噪聲。AP64350Q 亦采用頻率展頻 （FSS） 技術(shù) （具有 ±6% 的開關(guān)頻率抖動），可避免發(fā)射的能量停留在任一頻率過久，由此降低 EMI。

　　AP64350Q 已進(jìn)行 EMI 測試，確保符合 CISPR 25 Class 5 傳導(dǎo)和輻射發(fā)射限制。圖 3 顯示 500kHz 開關(guān)頻率下測試 AP64350Q 的濾波階段。

　　圖 3. EMI 濾波階段示意圖

　　測試期間較高的負(fù)載會導(dǎo)致更多的 EMI，但此為意料之中。即便使用這些階段濾波器，如果 DUT 使用屏蔽 （Shielding） 來抑制所有產(chǎn)生的噪聲，但也只能有時能滿足 EMI 的限制。屏蔽層必須連接至 0V 以提供最佳的 EMI 效能。通過接地屏蔽可以使 AP64350Q 符合所有 CISPR 25 Class 5 的限制，如同表 3 所示。雖然使用共模（Common Mode） 電感器有助于提高 EMI 效能，但因為大多數(shù)噪聲都是以差分形式產(chǎn)生的，因此效果極小。

　　表 3. AP64350Q 降壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)和輻射發(fā)射測試結(jié)果

　　結(jié)論

　　傳導(dǎo)和輻射 EMI 與所有電子組件 （尤其是開關(guān)轉(zhuǎn)換器） 都有關(guān)系，因此主管部門通過制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來控制其在不同市場和地區(qū)的影響。CISPR 25 Class 5 規(guī)定了汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品中最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，即便是設(shè)計良好的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，如果未采用多階段濾波和屏蔽技術(shù)，也可能無法滿足此標(biāo)準(zhǔn)。Diodes 公司的 AP64350Q 是一款符合汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)用 CISPR 25 Class 5 限制的降壓轉(zhuǎn)換器。

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