作者：Henry Zhang and Sam Young

開(kāi)關(guān)模式電源用于整個(gè)現(xiàn)代電子系統(tǒng)，主要是因?yàn)樗鼈兙哂懈咝实碾娫崔D(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)模式電源激增的一個(gè)副作用是它們產(chǎn)生的噪聲。這通常被稱為電磁干擾 （EMI）、EMI 噪聲或只是噪聲。例如，典型降壓轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)開(kāi)關(guān)電流是富含諧波成分的脈動(dòng)電流。功率晶體管的快速導(dǎo)通和關(guān)斷會(huì)導(dǎo)致電流突然中斷，導(dǎo)致高頻電壓振鈴和尖峰。

問(wèn)題在于高頻噪聲會(huì)耦合到系統(tǒng)中的其他器件，從而降低敏感的模擬或數(shù)字信號(hào)電路的性能。正因?yàn)槿绱耍霈F(xiàn)了許多標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)定可接受的EMI限制。為了滿足開(kāi)關(guān)模式電源的這些限制，必須首先量化其EMI性能，并在必要時(shí)添加適當(dāng)?shù)妮斎隕MI濾波以衰減EMI。不幸的是，EMI分析和濾波器設(shè)計(jì)可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，通常需要一個(gè)耗時(shí)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建、測(cè)試和重新設(shè)計(jì)的迭代過(guò)程，也就是說(shuō)，假設(shè)有合適的測(cè)試設(shè)備。為了加快EMI濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程以滿足EMI規(guī)范，本文將介紹如何使用ADI公司的LTpowerCAD程序輕松估算和預(yù)構(gòu)建傳導(dǎo)EMI噪聲分析和濾波器設(shè)計(jì)。?

不同類型的EMI：輻射和傳導(dǎo)噪聲、共模和差模

EMI有兩種主要類型：輻射和傳導(dǎo)。在開(kāi)關(guān)模式電源中，輻射EMI通常由開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的高dv/dt噪聲產(chǎn)生。輻射發(fā)射的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通常涵蓋 30 MHz 至 1 GHz 的頻段。在這些頻率下，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輻射EMI主要由開(kāi)關(guān)電壓振鈴和尖峰產(chǎn)生，并且在很大程度上取決于PCB板布局。除了良好布局實(shí)踐中固有的內(nèi)容外，幾乎不可能精確預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)模式電源將在“紙上”傳輸多少輻射EMI。人們必須簡(jiǎn)單地構(gòu)建電路板，并在設(shè)計(jì)足夠好的EMI實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量其EMI，以量化其輻射噪聲水平。

傳導(dǎo)EMI是由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器傳導(dǎo)輸入電流的快速變化引起的，包括共模（CM）和差模（DM）噪聲。傳導(dǎo)發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)限制通常涵蓋比輻射發(fā)射更低的頻率范圍，即從150 kHz到30 MHz。 圖1顯示了DC-DC電源（EMI實(shí)驗(yàn)室中的DUT）共模和差模噪聲的通用導(dǎo)通路徑。

為了量化傳導(dǎo)輸入EMI，在穩(wěn)壓器的輸入端放置了一個(gè)線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN），提供標(biāo)準(zhǔn)輸入源阻抗。測(cè)量每條輸入線和接地之間的CM傳導(dǎo)噪聲。CM噪聲在高dv/dt開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生，通過(guò)器件的寄生PCB電容C耦合P，接地，然后行進(jìn)電源輸入 LISN。與輻射EMI一樣，高頻開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴和寄生電容無(wú)法在紙質(zhì)設(shè)計(jì)中輕松準(zhǔn)確地建模。

DM噪聲在兩條輸入線之間以差分方式測(cè)量。DM傳導(dǎo)噪聲產(chǎn)生于開(kāi)關(guān)模式電源的高di/dt、脈動(dòng)輸入電流。幸運(yùn)的是，與其他EMI類型不同，輸入電容和LISN電路產(chǎn)生的脈動(dòng)輸入電流和產(chǎn)生的相對(duì)低頻EMI可以通過(guò)LTpowerCAD等軟件以可接受的精度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖1.基于LISN的開(kāi)關(guān)模式電源差模和共模傳導(dǎo)EMI測(cè)量的概念概述。

圖2顯示了不帶輸入EMI濾波器的開(kāi)關(guān)模式降壓降壓電源的典型EMI噪聲圖。最顯著的EMI尖峰發(fā)生在電源的開(kāi)關(guān)頻率處，其次是諧波頻率處的其他尖峰。圖2顯示了一個(gè)EMI圖，其中這些尖峰的峰值超過(guò)了CISPR 22 EMI限值。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)，需要一個(gè)EMI濾波器來(lái)衰減差模EMI。

圖2.不帶輸入EMI濾波器的開(kāi)關(guān)模式降壓電源的典型EMI曲線。

差模傳導(dǎo)EMI濾波器

圖3所示為開(kāi)關(guān)模式電源輸入側(cè)的典型差模傳導(dǎo)EMI噪聲濾波器。在本例中，我們添加了一個(gè)簡(jiǎn)單的一階低通 LfCf電源本地輸入電容 C 之間的網(wǎng)絡(luò)在（EMI噪聲源側(cè)）和輸入源（LISN接收器側(cè)）。這與標(biāo)準(zhǔn)EMI實(shí)驗(yàn)室測(cè)試設(shè)置相匹配，其中LISN網(wǎng)絡(luò)插入濾波電容C上fLC濾波器的一側(cè)。LISN電阻R2兩端的差分信號(hào)由頻譜分析儀測(cè)量，以量化DM傳導(dǎo)EMI噪聲。

圖4顯示了LC濾波器衰減增益曲線。在非常低的頻率下，電感是低阻抗的，基本上短路，而電容器是高阻抗的，基本上是開(kāi)路的。由此產(chǎn)生的LC濾波器增益為1 （0 dB），允許直流通過(guò)而不會(huì)衰減。隨著頻率的升高，在諧振頻率L處出現(xiàn)增益尖峰fCf.當(dāng)頻率上升到諧振頻率以上時(shí)，濾波器以–40 dB/十倍頻程的速率衰減。在相對(duì)較高的頻率下，濾波器增益越來(lái)越多地成為寄生元件的函數(shù)：即濾波電容的ESR和ESL以及濾波電感的并聯(lián)電容。

由于該濾波器的衰減能力隨頻率迅速上升，因此前幾次低頻噪聲諧波的幅度壓倒性地決定了EMI濾波器的大小，其中電源開(kāi)關(guān)頻率的基波分量（f西 南部） 是最重要的目標(biāo)。因此，我們可以專注于EMI濾波器的較低頻率增益，以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3.差模EMI噪聲濾波器（從節(jié)點(diǎn)B到節(jié)點(diǎn)A）。

圖4.典型單LC EMI濾波器插入增益與頻率的關(guān)系圖

LTpowerCAD可以預(yù)測(cè)特定于電源的濾波器性能

LTpowerCAD是一款電源設(shè)計(jì)輔助工具，可在 analog.com/LTpowerCAD 免費(fèi)下載。該程序旨在使工程師能夠在幾分鐘內(nèi)通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟設(shè)計(jì)和優(yōu)化完整的電源參數(shù)。

LTpowerCAD引導(dǎo)用戶完成整個(gè)電源選擇和設(shè)計(jì)過(guò)程，從用戶的電源規(guī)格開(kāi)始。從那里，LTpowerCAD縮小了合適解決方案的范圍，然后幫助選擇功率級(jí)組件，并優(yōu)化電源效率、設(shè)計(jì)環(huán)路補(bǔ)償和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

我們感興趣的功能是LTpowerCAD的輸入EMI濾波器設(shè)計(jì)工具，該工具使工程師能夠快速估計(jì)差模傳導(dǎo)EMI，并確定可能需要哪些濾波器組件來(lái)滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)。LTpowerCAD的濾波工具可以在構(gòu)建和測(cè)試單個(gè)電路板之前產(chǎn)生逼真的結(jié)果，從而顯著減少設(shè)計(jì)時(shí)間和成本。

LTpowerCAD中的EMI濾波器設(shè)計(jì)

概述

讓我們看一個(gè)DM EMI濾波器設(shè)計(jì)示例。圖5顯示了LTpowerCAD原理圖設(shè)計(jì)頁(yè)面，其中顯示了使用LTC3833降壓轉(zhuǎn)換器的電源的元件選擇，該轉(zhuǎn)換器采用12 V輸入和5 V/10 A輸出供電，開(kāi)關(guān)頻率為1 MHz，f西 南部.在設(shè)計(jì)EMI濾波器之前，通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)頻率、功率級(jí)電感器、電容器和FET來(lái)設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器。

圖5.LTpowerCAD原理圖設(shè)計(jì)頁(yè)面和集成EMI工具圖標(biāo)。

選擇功率級(jí)組件后，單擊EMI設(shè)計(jì)圖標(biāo)以打開(kāi)集成DM EMI濾波器工具窗口，如圖6所示。EMI設(shè)計(jì)窗口顯示詳細(xì)的輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)，LfCf，電源輸入電容C之間國(guó)際投資銀行/C公司和源 LISN。有可選的阻尼電路，例如網(wǎng)絡(luò)C大/R大在 LISN 端，網(wǎng)絡(luò) C分貝/R分貝電源輸入電容側(cè)，可選阻尼電阻RfP穿過(guò)濾波電感器 Lf.估計(jì)的傳導(dǎo)EMI噪聲圖和選定的EMI標(biāo)準(zhǔn)限值顯示在圖6的右側(cè)。

圖6.LTpowerCAD傳導(dǎo)DM EMI濾波器設(shè)計(jì)窗口（Lf= 0，無(wú)過(guò)濾器）。

選擇電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)計(jì)EMI濾波器時(shí)，您需要查看設(shè)計(jì)的目標(biāo)，即EMI標(biāo)準(zhǔn)本身。LTpowerCAD包括CISPR 22（用于IT設(shè)備），CISPR 25（用于汽車設(shè)備）和MIL-STD-461G標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)置繪圖。只需從 EMI 規(guī)范下拉菜單中選擇所需的標(biāo)準(zhǔn)即可。

例如，在圖6中，濾波器電感值設(shè)置為0，以顯示設(shè)計(jì)在沒(méi)有輸入濾波器的情況下的EMI結(jié)果。EMI在基波和諧波頻率處出現(xiàn)尖峰，均超過(guò)顯示的CISPR 25限值，導(dǎo)致EMI與規(guī)格原理圖顯示出現(xiàn)紅色警告。

設(shè)置 EMI 濾波器參數(shù)

選擇所需的 EMI 標(biāo)準(zhǔn)后，輸入所需的 EMI 裕量 - 您希望所選標(biāo)準(zhǔn)限值與基波峰值之間的距離。3 dB至6 dB裕量通常是一個(gè)很好的起點(diǎn)。從這些選擇中，對(duì)于給定的濾波電容，Cf和電源工作條件，程序計(jì)算建議的濾波電感值L sug.，顯示在LTpowerCAD的黃色單元格中。在L電池中輸入一個(gè)略大于建議值的電感值，以滿足EMI限值和所需的裕量。

在本例中，圖7顯示了設(shè)計(jì)工具，建議使用0.669 μH濾波器電感，以及輸入的0.72 μH電感以滿足要求。通過(guò)比較帶和不使用濾波器的結(jié)果，可以探索濾波器的優(yōu)點(diǎn)。打開(kāi)“顯示無(wú)輸入濾波器的EMI”選項(xiàng)，以查看疊加在灰色無(wú)濾波器圖上方的濾波結(jié)果。

選擇濾波電容C有一個(gè)重要的細(xì)節(jié)f.如果是具有X5R，X7R等介電材料的多層陶瓷電容器（MLCC），則其電容值會(huì)隨著直流偏置電壓而顯著下降。因此，除了LTpowerCAD標(biāo)稱電容C（nom）之外，用戶還應(yīng)輸入其在施加的直流偏置電壓（V伊納或 V國(guó)際投資銀行).降額曲線可從電容器供應(yīng)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。如果從LTpowerCAD庫(kù)中選擇MLCC電容器，則程序會(huì)自動(dòng)估計(jì)其隨直流偏置電壓的降額。

輸入濾波器電感器中會(huì)出現(xiàn)另一種元件變化，由于其與直流電的飽和，其可能具有非線性電感。隨著負(fù)載電流的增加，電感值可能會(huì)明顯下降，特別是對(duì)于鐵氧體磁珠型電感器。用戶應(yīng)輸入實(shí)際電感，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的EMI預(yù)測(cè)。

圖7.選擇濾波器電感值以滿足EMI標(biāo)準(zhǔn)限值。

檢查濾波器衰減增益

在圖7中，輸入濾波器的EMI曲線顯示，由于LC輸入濾波器諧振頻率為245 kHz，頻率低于電源開(kāi)關(guān)頻率，因此會(huì)出現(xiàn)噪聲尖峰。圖8顯示了LTpowerCAD EMI窗口中濾波器衰減增益曲線代替EMI結(jié)果（單擊濾波器衰減選項(xiàng)卡），顯示了濾波器在245 kHz時(shí)的諧振衰減增益。

在某些情況下，LC諧振峰值可能導(dǎo)致超過(guò)EMI標(biāo)準(zhǔn)的尖峰。為了衰減這個(gè)諧振峰值，一對(duì)可選的阻尼組件C大和 R大可與濾波電容C并聯(lián)添加f.除了顯示衰減圖外，LTpowerCAD還簡(jiǎn)化了這些組件的選擇過(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，選擇阻尼電容，C大，大約是實(shí)際濾波器 C 的兩到四倍f價(jià)值。LTpowerCAD將建議使用阻尼電阻R大值來(lái)推動(dòng)共振峰值。

圖8.EMI濾波器衰減增益（在LISN側(cè)有和沒(méi)有阻尼）。

檢查濾波器阻抗和電源輸入阻抗

在開(kāi)關(guān)模式電源前面添加輸入EMI濾波器時(shí)，濾波器輸出阻抗Z之，可與電源輸入阻抗Z相互作用在，導(dǎo)致不希望的振蕩。為了避免這種不穩(wěn)定的情況，EMI濾波器輸出阻抗的大小，Z之，應(yīng)遠(yuǎn)低于電源輸入阻抗的幅度，Z在,有足夠的余量。圖 9 顯示了 Z 的概念之和 Z在以及它們之間的穩(wěn)定性裕度。

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，具有高反饋環(huán)路帶寬的理想電源可以被視為恒定功率負(fù)載;即輸入電壓V在時(shí)間輸入電流恒定。隨著輸入電壓的增加，其輸入電流減小。因此，理想的電源具有負(fù)輸入阻抗Z在= –（V在2）/P在.

為了便于設(shè)計(jì)輸入濾波器，LTpowerCAD顯示濾波器輸出阻抗Z之和電源輸入阻抗 Z在在圖10所示的阻抗圖上。請(qǐng)注意，電源輸入阻抗是輸入電壓和輸入功率的函數(shù)。最壞的情況是阻抗的最低水平，發(fā)生在最小V處在和最大 P在條件。

如圖10所示，EMI濾波器輸出阻抗在濾波器電感L引起的諧振頻率處有一個(gè)峰值點(diǎn)。f和電源輸入電容器 C在.在好的設(shè)計(jì)中，該峰值的幅度應(yīng)低于最差情況Z在，有足夠的余量。如果需要降低此峰值電平，還有另一對(duì)可選的阻尼組件，電容器C分貝和電阻器 R分貝，與電源輸入電容C并聯(lián)在.這個(gè) C在側(cè)阻尼網(wǎng)絡(luò)可有效降低Z外峰。建議的C分貝和 R分貝值由LTpowerCAD EMI工具提供。

圖9.檢查EMI濾波器輸出阻抗和電源輸入阻抗的穩(wěn)定性。

圖 10.LTpowerCAD EMI濾波器阻抗圖（帶和不帶阻尼）。

LTpowerCAD EMI濾波器工具的精度

LTpowerCAD EMI濾波器工具的精度可以通過(guò)在實(shí)際電路板實(shí)驗(yàn)室EMI測(cè)試中運(yùn)行LTpowerCAD設(shè)計(jì)來(lái)查看。圖11顯示了比較結(jié)果，其中使用改進(jìn)的LTC3851降壓電源演示板執(zhí)行實(shí)際測(cè)試，該演示板以750 kHz的頻率運(yùn)行，輸入電壓為12 V，輸出電壓為1.5 V，負(fù)載電流為10 A。如圖11所示，測(cè)試的EMI數(shù)據(jù)和LTpowerCAD建模的EMI數(shù)據(jù)與較低頻率噪聲峰值的匹配良好，而實(shí)際測(cè)試的峰值比建模的EMI峰值低幾dB。

在較高頻率噪聲峰值處存在較大的失配，但這些失配的重要性較低，因?yàn)镈M傳導(dǎo)EMI濾波器尺寸主要由較低頻率的噪聲尖峰決定。這種差異部分是由于電感和電容寄生模型的精度，包括PCB布局寄生值;目前，精度超出了基于PC的設(shè)計(jì)工具所能達(dá)到的精度。

圖 11.實(shí)際板實(shí)驗(yàn)室測(cè)量與 LTpowerCAD 估計(jì)的 EMI （12 V在至 1.5 V外/10 降壓的例子）。

請(qǐng)注意，LTpowerCAD濾波器工具是一種估算工具，為EMI濾波器提供了初始設(shè)計(jì)點(diǎn)。沒(méi)有什么可以取代原型電源板的真實(shí)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，以獲得真正準(zhǔn)確的EMI數(shù)據(jù)。

總結(jié)

許多行業(yè)正在使用需要越來(lái)越仔細(xì)地控制傳輸?shù)碾姶判盘?hào)的系統(tǒng)。為此，有許多關(guān)于EMI的明確標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，開(kāi)關(guān)模式電源的數(shù)量也在增加，并且它們?cè)絹?lái)越靠近敏感電路。開(kāi)關(guān)模式電源是強(qiáng)大的EMI源，因此在許多情況下必須量化和降低其噪聲輸出。問(wèn)題是，EMI濾波器的設(shè)計(jì)和測(cè)試是一個(gè)耗時(shí)且昂貴的迭代過(guò)程。

LTpowerCAD使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)使用基于計(jì)算機(jī)的預(yù)測(cè)性設(shè)計(jì)工具排除實(shí)際設(shè)計(jì)和測(cè)試來(lái)節(jié)省時(shí)間和成本。其易于使用的EMI濾波器工具可預(yù)測(cè)差模傳導(dǎo)EMI濾波器（包括可選的阻尼網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)果，以最大限度地降低EMI，同時(shí)保持穩(wěn)定的電源。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

審核編輯：郭婷