EMC-12---電源噪聲處理實例

引言：傳導(dǎo)電磁干擾指通過導(dǎo)體進(jìn)行傳播從而干擾其他系統(tǒng)的電磁干擾，任何導(dǎo)體如導(dǎo)線、電感、電容都是傳播傳導(dǎo)干擾的通道。對于開關(guān)電源，Buck的輸入、Boost的輸出、Buck-Boost的輸入和輸出都會產(chǎn)生不連續(xù)電流，不連續(xù)電流會導(dǎo)致電路產(chǎn)生電壓尖峰，電壓尖峰通過PCB走線和導(dǎo)線會傳導(dǎo)到各個系統(tǒng)從而導(dǎo)致干擾。

1.傳導(dǎo)電磁干擾概述

電磁干擾的模型可以簡單的等效為3個部分：干擾源、傳導(dǎo)路徑、接收端。DC-DC電路其傳播路徑為PCB走線及導(dǎo)線，接收為供電端和其他應(yīng)用電路。在進(jìn)行傳導(dǎo)EMI測試時，干擾源為測試設(shè)備DUT，傳導(dǎo)路徑為導(dǎo)線，接收器為傳導(dǎo)干擾測試設(shè)備LISN。

傳導(dǎo)電磁干擾信號可分為差模信號(DM)和共模信號(CM)兩種(傳送門：EMC-3：噪聲的傳輸和放大)，在進(jìn)行EMC提升和設(shè)計的時候要對兩種信號進(jìn)行區(qū)分并針對不同的信號進(jìn)行相應(yīng)的處理，圖12-1為測量傳導(dǎo)EMI的圖解。

圖12-1：傳導(dǎo)EMI測試圖解

將V-Common稱為V1和V2在EARTH-GND上的共模電壓，將V-diff稱為V1和V2上的差分電壓，所以根據(jù)共模電壓和差模電壓的定義有：

其中：

差模干擾：存在于L+和L-線之間，電流從Line+進(jìn)入，流過整流二極管正極，再流經(jīng)負(fù)載，通過熱地，到整流二極管，再回到L-，在這條通路上，有高速開關(guān)的大功率器件，有反向恢復(fù)時間極短的二極管，這些器件產(chǎn)生的高頻干擾，都會從整條回路流過，從而被接收機檢測到，導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)。

圖12-2為差模干擾引起的傳導(dǎo)FALL數(shù)據(jù)，該測試數(shù)據(jù)前端超標(biāo)，為差模干擾引起：

圖12-2：差模干擾超標(biāo)數(shù)據(jù)

共模干擾：共模干擾是因為大地與設(shè)備電纜之間存在寄生電容，使得共模干擾有了回路，干擾噪聲通過該電容，流向大地，在LISN-線纜-寄生電容-地之間形成共模干擾電流，從而被接收機檢測到，從而導(dǎo)致共模干擾，傳導(dǎo)超標(biāo)，圖12-3為共模干擾引起的傳導(dǎo)FALL數(shù)據(jù)。

圖12-3：共模干擾超標(biāo)數(shù)據(jù)

2.傳導(dǎo)電磁干擾測試標(biāo)準(zhǔn)

常見的EMI標(biāo)準(zhǔn)有歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)，美國標(biāo)準(zhǔn)(FCC)，國際標(biāo)準(zhǔn)(CISPR)，這些標(biāo)準(zhǔn)對于不同的應(yīng)用市場有相應(yīng)的針對性EMI標(biāo)準(zhǔn)，具體情況如表12-1所示。

表12-1：主要產(chǎn)品類別傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)

不同標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的傳導(dǎo)干擾限值不同，且測試頻率范圍也不盡相同，具體情況請查看相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)手冊。以最常見的EN55032為例，傳導(dǎo)干擾頻率測試范圍在150K到30MHz，需要注意的是，在2017年3月5日之后，之前使用特別廣泛的EN55022被納入EN55032標(biāo)準(zhǔn)。EN55032分為Class
A和Class B兩個標(biāo)準(zhǔn)，用于居住環(huán)境的產(chǎn)品需要通過更嚴(yán)格的Class B標(biāo)準(zhǔn)，其他則只需通過Class A標(biāo)準(zhǔn)，圖12-4為EN
55032傳導(dǎo)EMI輻射限值標(biāo)準(zhǔn)。

圖12-4：EN 55032傳導(dǎo)干擾限值標(biāo)準(zhǔn)

3.傳導(dǎo)電磁干擾的產(chǎn)生

在開關(guān)電源中，開關(guān)管周期性的通斷會產(chǎn)生周期性的電流突變(di/dt)和電壓突變(dv/dt)，周期性的電流變化和電壓變化則會導(dǎo)致電磁干擾的產(chǎn)生。圖12-5所示為Buck電路中差模噪聲和共模噪聲路徑，差模噪聲電流回路與電源電流相同，因此輸出電流和返回電流是反向的，一般認(rèn)為差模噪聲是“電流驅(qū)動”噪聲，是由電路中的電流變化(di/dt)產(chǎn)生。一般認(rèn)為共模噪聲是“電壓驅(qū)動”噪聲，是由電路中的電壓變化(dv/dt)產(chǎn)生。共模噪聲電流則是通過寄生電容，從電源線流向機殼等導(dǎo)體，從而形成回路。因此共模噪聲的電流在電源線是同向的。(傳送門：EMC-4：開關(guān)電源的噪聲來源)

圖12-5：Buck電路中的差模噪聲和共模噪聲

4.差模干擾的產(chǎn)生和分析

差模噪聲由電路中的電流變化(di/dt)所產(chǎn)生，圖12-6所示為Buck電路的電流變化，可見在Buck電路中上管電流和下管電流是突變的，這些突變電流便是差模干擾產(chǎn)生的源頭，這些干擾電流通過電源線注入LISN，由頻譜儀繪制出傳導(dǎo)噪聲曲線。

圖12-6：Buck電路中的電流變化

圖12-7為Buck上管電流的頻域分析圖，開關(guān)電源中的周期性di/dt信號其頻域噪聲主要集中在傳導(dǎo)EMI測試的頻率范圍。這個噪聲是開關(guān)電源特性所致，它的產(chǎn)生是無法避免的，但是可以通過加輸入電容和輸入濾波電路在傳播路徑上對噪聲進(jìn)行抑制，以下會詳細(xì)論述。

圖12-7：Buck上管電流的頻域分析

5.共模干擾的產(chǎn)生和分析

共模噪聲由電路中的電壓變化(dv/dt)所產(chǎn)生，圖12-8所示為Buck電路共模噪聲的產(chǎn)生和傳播路徑。在開關(guān)電源中，由于開關(guān)管周期性的通斷，會在SW點產(chǎn)生周期性電壓變化(dv/dt)，這個周期性的dv/dt信號會在由寄生電容和機殼、銅皮組成的回路上產(chǎn)生共模電流，共模電流通過寄生電容，再經(jīng)過機殼、銅皮等流向LISN。

圖12-8：共模噪聲的產(chǎn)生和傳播路徑

圖12-9為SW點電壓的頻域分析圖，干擾噪聲以大概-20db/dec的斜率衰減，高幅值干擾噪聲主要集中在傳導(dǎo)范圍頻域內(nèi)。開關(guān)電源中SW的dv/dt是難以避免的，因此需要用共模濾波器對共模干擾進(jìn)行抑制。

圖12-9：SW電壓頻域分析

6.傳導(dǎo)電磁干擾的預(yù)防和優(yōu)化

上面提到電磁干擾模型可以等效為3個部分：干擾源，傳導(dǎo)路徑，和接收端，傳導(dǎo)電磁干擾測試時接收端為LISN，因此主要從干擾源和傳導(dǎo)路徑兩個角度進(jìn)行傳導(dǎo)電磁干擾的預(yù)防和優(yōu)化。(傳送門：EMC-6：如何從后級解決開關(guān)電源的噪聲)

從干擾源進(jìn)行優(yōu)化

1#：設(shè)置頻率

EMI標(biāo)準(zhǔn)在不同頻率的限值不同，可將開關(guān)頻率設(shè)置在干擾限值較高的頻率。如EN55032 class A在500KHz以上限值為60dBuV,
在500KHz以下限值為66dBuV，因此可以考慮將開關(guān)頻率設(shè)置在400KHz。

2#：用帶有抖頻功能(也叫展頻)的Buck Converter

抖頻是指IC通過內(nèi)部邏輯控制使得開關(guān)頻率在一定范圍內(nèi)按一定步進(jìn)進(jìn)行切換，從而實現(xiàn)將干擾能量進(jìn)行頻域分散，達(dá)到降低整體干擾幅度的效果。圖12-10為抖頻效果的示意圖，抖頻功能，其抖頻范圍為開關(guān)頻率的±6%，調(diào)制率為開關(guān)頻率的1/512。

圖12-10：展頻效果示意圖

3#：優(yōu)化Layout

使用低ESR電容作為輸入電容并盡可能靠近芯片放置，由此來最小化輸入電容和上下管組成的高di/dt回路，同時要注意電流返回路徑，通過給地鋪銅來提供最短路徑的電流回路，回路上鋪銅不能被切斷。

將電感靠近芯片放置，在保證足夠電流能力的前提下，使SW點鋪銅面積最小化，由此來減少高dv/dt的SW點的電場耦合。

對功率地和信號地單點接地，防止噪聲耦合，使用4層板，在中間兩層鋪地，提供最短電流回路，并對干擾進(jìn)行屏蔽。

從傳播路徑對干擾進(jìn)行吸收

1#：使用共模濾波器

針對共模噪聲，需要使用共模電感進(jìn)行抑制，共模電感對共模電流表現(xiàn)為高阻狀態(tài)，對差模電流則表現(xiàn)為低阻，因此共模電感對共模噪聲有很好的抑制作用。

2#：使用差模濾波器

對于差模噪聲，圖12-11所示為標(biāo)準(zhǔn)的EMI濾波器。

圖12-11：標(biāo)準(zhǔn)EMI濾波器

小結(jié)：

對差模干擾：

1#：增大X電容容值。

2#：增大共模電感感值，利用其漏感，抑制差模噪聲。

對共模干擾：

1#：增大共模電感感值。

2#： 調(diào)整L+-GND，L--GND上的LC濾波器，濾掉共模噪聲。

3#：主板盡可能接地，減小對地阻抗，從而減小線纜與大地的寄生電容。