EMI:對外界或周圍環境產生的電磁干擾強度。
電磁干擾度,EMI的輻射強度與頻率的平方正比,因此將信號的頻率提升一倍時,對應的EMI輻射強度,提高約4倍
三要素: 噪聲源 耦合路徑 接收器 。
測試項目:傳導發射:輻射發射:傳導抗擾:輻射抗擾:
選取寄生參數小的器件:電容的ESR和ESL儘量小, 電感的ESR儘量小。
一、從源頭抑制EMI:
1、開關頻率選擇: 開關頻率會極大影響整個電路的功率密度,而且針對不同器件、拓撲結構、最佳的開關頻率也是變化的。
對於開關電源而言:不是開關頻率越高,功率密度就越高,目前這個階段來說真正阻礙功率密度提高的是散熱系統和電磁設計(包括EMI濾波器和變壓器)和功率集成技術。
要提高開關電源產品的功率密度,首先是提高其開關頻率,能有效減小變壓器、濾波電感、電容的體積,但由開關頻率引起的損耗,而導致溫升散熱設計難,頻率的提高也會導致驅動、EMI等一系列工程問題
2、頻率抖動技術: 開關電源的工作頻率並非固定不變,而是週期性的地變化來減小電磁干擾。 分散諧波能量
用以減少PWM驅動信號產生的電磁干擾。高效且可靠。在PWM芯片及TOPGX功率芯片上應用較多。
噪聲幅值是EMI注意的重點:週期干擾所導致的諧波間距爲基波頻率的整數倍,採用頻率抖動技術,可避免各次諧波能量的疊加, 使得噪聲的能量分散、減小。
頻率抖動技術需要調節PWM發生器的振盪器頻率。
3、*軟開關技術: 在原電路中增加小電感、電容等諧振元件,在開關過程中引入諧振,消除電壓、電流的重疊。
降低開關損耗和開關噪聲。 可有效解決開關損耗
軟開關技術:準諧振電路 零開關PWM電路 零轉換PWM電路
在工業上常用的軟開關拓撲也僅僅包括移相全橋和一些諧振的拓撲如LLC,也有準諧振的flyback。
硬開關,在開關過程中電壓與電流均不爲0,出現重疊。
電壓、電流變化很快,導致波形出現明顯的過沖,導致開關噪聲。
零電壓開關與零電流開關:
零電壓開通:在開關開通前其兩端的電壓爲0,開通時不會產生損耗和噪聲;
零電壓關斷:與開關並聯的電容能延緩開關後電壓上升的速率,從而降低關斷損耗;
零電流關斷:開關關斷前其電流爲0,關斷時無損耗和噪聲;
零電流開通:與開關串聯的電感能延緩開關開通後電流上升的速率,降低了開通損耗。
4、選用反向恢復好的二極管: 二極管的反向恢復電流,會帶來高的di/dt,還會和漏感等寄生電感共同造成高的dv/dt。
5、吸收振盪尖峯: 尖峯干擾往往伴隨着很高的頻率,是重要的EMI發射源
增大電容; 採用RCD的形式會優於RC吸收尖峯脈衝, D爲整流二極管
6、從器件選擇入手:涉及器件封裝,器件的寄生參數。
7、從PCB佈局佈線入手: 增加地線層數量,信號層與地層的間距減少。 模數分隔。 大電流大功耗與敏感信號分開。 去耦電容。 考慮電源分割。
敏感信號和干擾源之間的佈局。 佈線阻抗控制。 走線長度控制。 信號流出至信號流入的環路。
低頻信號,使電流流經電阻最小的路徑。高頻信號,使高頻電流流經電感最小的路徑。
因此當最小電感迴流路徑恰好在信號導線下面時,可以減小電流環路面積,從而減少EMI輻射能量。
差模輻射正比於電流、電流環路面積及頻率的平方。
關鍵信號布的跨越分割區域 高速差分信號採用緊耦合方式。 帶狀線 微帶線 。 多點網絡的信號線拓撲結構。 去耦電容引線短粗。
20H 3W 接地設計,單點接地,多點接地。AGND DGND PGND 。地線寬度大
二、從耦合路徑抑制EMI:
以開關電源爲例分析,由於電路中的功率開關管的高速開關動作,其電壓和電流的變化率都很高,上升沿和下降沿包含了豐富的高次諧波,所以產生的電磁干擾強度大 ;開關電源 的電磁干擾主要集中在二極管、功率開關器件以及與其相連的散熱器和高頻變壓器附近;由於開關管的開關頻率在幾十KHZ到幾MHZ,所以開關電源的干擾形式主要是傳導干擾和近場干擾。其中傳導干擾會通過噪聲傳播路徑注入電網,干擾接入電網的其它設備。
1、濾波元件:
共模電感:共模(CM)干擾,由dv/dt引起,通過PCB的雜散電容在兩條電源線與地的迴路中傳播,干擾侵入線路和地之間,干擾電流在兩條線路上各流過二分之一,以地位公共迴路;在實際的電路中由於線路的阻抗不平衡,使共模信號干擾會轉化爲不一消除的串擾干擾。
差模電感:差模(DM)干擾,由di/dt引起,通過寄生電感、電阻在火線和零線之間的迴路中傳播,在兩根線之間產生電流Idm,不與地線構成迴路。
2、電源去耦:
合適的旁路和去耦電容設計。
3、添加屏蔽:
屏蔽線纜:抑制輻射干擾
金屬殼/蓋屏蔽不同功能區:手機主板設計。
屏蔽網或金屬屏蔽帶:覆蓋屏蔽層
設計成帶狀線或在信號兩側以地線做隔離屏蔽
4、串接阻尼電阻:
在時序允許的前提下,在關鍵信號的輸出端串入小阻值的電阻,通常爲22—33Ω,輸出端串聯小電阻能延緩上升/下降時間,並能使過沖及下衝信號變得平滑,進而減小輸出的波形的高頻諧波幅度,有效抑制EMI。
5、擴頻:擴展頻譜,將信號調製,將信號能量擴展到一個更寬的頻率帶上。
三、減少接收器受EMI的影響:
1、從接口電路上減少傳導干擾
接口濾波、 共模電感 +接地電容 + 匹配電阻 +TVS管。 光耦隔離、變壓器隔離
2、從佈局和空間隔離屏蔽上減少輻射干擾
3、減少易受干擾的信號線長度,避免天線效應
傳導干擾:
干擾信號通過導線傳遞
輻射干擾:
干擾信號通過空氣或空間中的其它介質間接傳遞
差模干擾:
信號線自身之間的電勢差造成的干擾
共模干擾:
信號與大地之間的電勢差導致的干擾