设计EMI兼容的开关稳压器

EMI及EMC标准　　

您可以将EMI视为不适宜的能量，而这个能量不需要太多就有可能违反发射标准。事实上，EMI是相当低的能量效应。例如，在1MHz的状况下，只要20nW的EMI便会违反FCC对于传导发射的规范。传导发射是以频谱分析仪监测输入高频率元件而测得。线路阻抗稳定网路（LISN）可作为开关稳压器的低阻抗，以及频谱分析仪线路噪声的高通滤波器。因此，开关稳压器的输入是下一个需要注意之处。　　

输入滤波器的考量　　

造成汽车出现EMI的其中一个主要因素是开关稳压器在电源排线上传入AC电流。这些变化的电流本身具有辐射发射及传导发射的各种波形。例如，在非隔离式升压转换器中，图2（a）所示的输入电容（C2）及升压电感（L1）形成隔离线路发射的单向EMI滤波器。不过，输入电流具有该波形傅里叶扩展的AC三角波形，如图2（b）的绿色信号线所示。　

只要加入L2及C2，波形便会变成正弦曲线，而能量会重新调整为相当低的高频率峰值。不过，如果不能正确设计输入滤波器，则会将噪声放大而使得控制回路不稳定。因此，了解滤波器设计的概念，对于优化滤波器回波及成本相当重要。使用SPICE的AC分析是有效了解滤波器行为的工具。　　

不论是设计降压或升压电源，差动模式滤波器或双向电容输入滤波器都相当实用，这些能够避免EMI噪声进入线路以及辐射和/或传导噪声。需要注意的是，与滤波器元件相关的跨绕组终端电容及电容ESR等寄生元件会明显影响谐波的衰减，因此应该谨慎使用。　　

选用正确的元件　　

元件选择是设计EMI兼容开关稳压器的关键部分。例如，屏蔽的电感有助于缩小会产生辐射且耦合成为互感及高阻抗电路（例如PWM控制器的输入误差放大器）的漏磁场。　　

具有软反向或低反向恢复特性的二极管，能够将从导通状态变成截止状态的二极管相关的大浪涌电流降至最低。这些峰值电流会与寄生电容产生作用，而在超出100MHz的切换节点造成振荡，并且对EMC试验造成不良影响。虽然不在本文的讨论范围内，但还是需要说明的是：不正确选用开关稳压器的回路补偿元件，会使得EMI加剧。如果未正确补偿电源供应，输出纹波及不稳定现象会使噪声增加。经过适当补偿的电源供应是达到良好噪声性能的关键。　　

谨记电流经过的路径　　

现在需要处理EMI兼容开关稳压器最容易控制的必需层面，也就是电路信号线路径及元件位置。元件位置会在很大程度上影响电路信号线路径。前文曾经说过EMI是不适宜的能量，而且变化的电流及电压会通过寄生电容、互感或空气耦合到敏感电路（例如高阻抗）。因此，对于将的发射量降至最低、元件位置及电流路径具有重要的效用。　　

在一个电源的正确配置中，必须将大电流导体的回路部分缩减至最小。这样做能够将作为天线源和发射能量的电感降至最低。其中一个层面是有效放置元件及选用去耦电容。图3显示同步降压转换器的输出功率级与滤波器。C3将功率级去耦合，以便在Q2启动时提供低阻抗源。为了将辐射发射量降至最低，必须如图所示连接C3，其中电容的固有阻抗、电路信号线及通过电感的互连均缩减至最小。另外，也需要具有诸如X7R等高自振频率的高品质电容电介质。　

屏蔽　　

本文将说明的最后几项技术是噪声屏蔽及噪声扩散，这些可在运用前文讨论的技术之后用来提升噪声容限。如果未达到EMC标准或噪声容限不足，则需要外部屏蔽来转移辐射电场发射量，以免传输到EMC接收器天线。　　

散热器或磁性核心等表面出现开关电压时，会产生电场。通常通过导电机壳即可屏蔽电场，其中的导电材料可将电场转换为电流，以隔离电场。当然，其中也必须有该电流的路径（一般是接地）。但是，该电流造成的整个传导噪声能量需要用滤波器加以解决。外部磁场屏蔽更具挑战性（成本高），而且在较高频率时的效果不佳。因此，应该谨慎设计相关磁性元件及电路板回路部分。　　

采用扩散频谱　　

最后，本文将探讨另一项越来越受到广泛使用的技术，能够将峰值谐波能量散布于较大的频带，以有效降低该能量。该技术被称为展频频率抖动（SSFD），能够通过谐波峰值的降低将噪声信号从窄频变成宽频，以改变噪声频谱。其中必须了解能量频谱的变化，而整个能量则维持不变。最终的结果是噪声水平一般会增加，从而损害高保真系统。图4显示发生的谐波扩散及峰值降低。一般降低的幅度为5至10dB，后续的谐波会增加峰值降低的幅度。　

本文小结　　

您可以花很长的时间了解EMI的复杂度，但是设计EMI兼容的开关稳压器只需要了解应用电路及少数基本电路设计属性及波形分析。不论是设计汽车的开关稳压器，还是设计不使用电池的开关稳压器或复杂的PEV电池充电器，设计EMI兼容的开关稳压器都需要了解Maxwell方程式的概念。幸好对于我们大多数人而言，其中并未涉及偏微分方程式，而只需要注意快速改变电压/电流时出现的磁场及电场，并了解本文中所述的技术即可。