选择符合EN55022标准的低EMI电源前该了解些什么

引言

由于市场对于提升信息技术和通信设备性能的需求，因此如今的系统设计人员面临着必需设计EMI兼容产品的巨大挑战。在销售之前，所有通常被规定为具有一个高于 9kHz 之已调时钟信号的信息技术设备 (ITE) 都必须满足相关的政府标准，例如美国的 FCC Part 15 Subpart B 和欧盟的 EN55022，这些标准规定了工业和商业环境 (Class A) 以及家庭环境 (Class B) 的最大可容许辐射发射。鉴于此类严格的EMI标准、工程人力资源限制和产品快速上市要求，使得通过EN55022标准认证之电源模块的普及率有所提高。然而重要的是必须知晓电源模块在认证时所处的电气操作条件，以避免在之后的设计过程中感到诧异。对开关模式稳压器中的 EMI 干扰源和场强因子有所了解将有助于设计工程师选择最佳的组件，以减轻特别是那些所需电流水平较高之尖端设备中的电磁辐射。

图 1：FCC 辐射限值 (USA) 和 EN55022 Class B 辐射限值 (欧盟)

对于电磁理论的思考将有助读者更好地了解 EMI 对于工作在较高电压和较高输出功率下的大功率降压型转换器的影响。我们回忆一下高斯定理 (Gauss’ Law)，该阐述了某一封闭区域内电场强度与其内部的总电荷成正比。

例如：该电荷量与通过一根 PCB 走线传递的电流大小成正比。(1A 等于每秒 1 库仑电荷。) 于是，增加输出功率所需的较高电流将产生较强的磁场，由于交流电通路在一个周期之内的不同时点运行，所以在开关模式稳压器中电场始终处于变化之中就是理所当然的事了。接着，麦克斯韦 (Maxwell) 方程组告诉我们：这一不断变化的电场将产生一个成比例增强的磁场，从而引起一个从导体 (降压型转换器内部的所有电流通路) 辐射的自保持 EMI 电波。这里进行的讨论并不能尽述，例如：对于围绕电流通路的磁性组件以及功率电感器上快速极性变化的影响尚未涉及，不过，较高输出功率对于辐射EMI的影响却是清晰可见的。EMI 辐射源

由于其特殊的性质，开关电源会产生辐射到周围大气中的电磁波。脉冲电压和电流将因开关动作而出现，并直接影响辐射电磁波的强度 (见边栏)。此外，转换器内部的寄生器件也会产生电磁辐射。图 2 给出了一款典型的降压型转换器，其包括功率 MOSFET 的寄生电感器和寄生电容器。

图 2：具寄生电感器和电容器的降压型开关稳压器

在每个开关周期里，存储在寄生电感器中的能量将和存储于寄生电容器中的能量发生共振。当能量释放时将在开关节点 (VSW) 上产生一个很大的电压尖峰，其最大可达输入电压的两倍，如图 3 所示。当 MOSFET 的电流能力增加时，存储在寄生电容器中的能量往往也会增加。另外，开关动作还使输入电流以及流过顶端 MOSFET (ITOP) 和底端 MOSFET (IBOT) 的电流产生脉动。此脉冲电流将在输入电源电缆和 PCB 板印制线 (其充当了发射天线) 上产生电波，从而产生辐射发射和传导发射。

当输入电压和输出电流增加时，每个周期中功率电感器改变极性时开关节点上的电压尖峰也将增大。而且，输出电流越高，电路回路内部产生的脉冲电流越大。因此，辐射发射在很大程度上取决于被测试器件所处的电气操作条件。一般来说，辐射噪声将随着输入电压和输出功率 (特别是输出电流) 的提高而增加。由于作为低噪声替代方案的线性稳压器效率过低，而且在高电压和高功率级别下耗散过多的热量，因此设计工程师不得不克服因采用最先进的开关电源解决方案而引发的难题，其中的EMI抑制变得颇为棘手。

图 3：12V 输入降压型开关稳压器中的典型开关节点电压尖峰和振铃

EMI 抑制

用于降低来自开关模式电源转换器设计的辐射EMI之替代方法面临着其他的难题。一种传统方是在电源解决方案周围增设 EMI 屏蔽，其将在金属外壳内包含一个EMI场。然而，EMI 屏蔽会增加设计复杂性、尺寸和成本。在开关节点上 (VSW) 布设一个 RC 减振器电路可帮助减小电压尖峰和后续的振铃。可是，增设一个减振器电路将降低工作效率，从而增加功率耗散，导致环境温度和 PCB 温度升高。最后一种对策是采取优良的 PCB 布局方案，包括使用局部低 ESR 陶瓷去耦电容器，并为所有的大电流通路采用简短的 PCB 走线间隔，以最大限度地抑制图 2 中所示的寄生效应，不过代价是增加了工程设计时间并延缓了产品的上市进程。

总的说来，为了同时满足尺寸、效率、热耗散和EMI规格要求，工程师必需具备丰富的电源设计经验并做出艰难的权衡取舍，特别是在高输入电压、高输出功率应用中 (原因如上所述)。为了评估折衷策略和设计一款符合 EMI 标准并满足所有系统要求的电源转换器，电路设计人员常常