降低EMI标准实现符合CISPR 22标准的电源解决方案

系统工程师担心在产品开发周期结束时无法通过电磁干扰 (emi) 一致性测试的前景。如果发生这种情况,可能会导致产品运输计划受到重大挫折,还可能引发昂贵的总功率重新设计。本应用笔记探讨了如何使用精心规划的电源解决方案设计,利用适当的滤波器、低emi元件、低emi功率稳压器ic和/或低emi功率模块,以及良好的pcb布局和屏蔽技术,实现一次通过emi的成功。
了解 emi 噪声
当电子设备连接到另一个产生电磁干扰 (emi) 的电子设备、与另一个电子设备共享同一电源或靠近另一个电子设备时,emi 可能会中断设备的运行。emi是传导或辐射的,与emi相关的问题会阻止相邻的电子设备彼此并排工作。
emi有许多常见的例子:
来自微波炉的干扰会影响附近的 wi-fi® 信号
发射器会妨碍当地电视台显示图片,导致整个画面消失或画面图案化
手机与通信塔握手以处理呼叫可能会导致干扰,这就是为什么客机要求乘客在飞行期间关闭手机的原因
低空飞行的飞机会干扰收音机或电视上的音频/视频信号
鉴于电子设备在我们生活中的普及,电磁兼容性(emc)问题已成为一个重要的话题。因此,出现了标准机构,以确保电子设备的正常运行,即使有emi,就可以在几乎任何电子设备附近操作手机和其他无线设备,而几乎没有影响。设计人员已采取措施确保设备不会辐射不必要的辐射,并使设备不易受到射频辐射的影响。
根据 emi 规范进行设计
cispr 22 emi 规范(在欧洲通常称为 en55022)将设备、设备和装置分为两类:
b类:打算在家庭环境中使用并符合cispr 22 b类排放要求的设备,装置和装置。
a 类:不符合 cispr 22 b 类排放要求但符合不太严格的 cispr 22 a 类排放要求的设备、装置和装置。a 类设备必须具有以下警告:“这是 a 类产品。在家庭环境中,本产品可能会造成无线电干扰,在这种情况下,可能需要用户采取适当的措施。
表 1、表 2、表 3 和表 4 显示了 cispr 22 规范。
emi测试包括传导和辐射发射测试。传导发射测试在150khz至30mhz的频率范围内进行,这是交流电流传导到线路源的地方,并使用两种方法进行测量:准峰值和平均值。每种方法都有自己的限制。
辐射发射测试在30mhz至1ghz的较高射频范围内进行。此范围是被测设备 (dut) 的辐射磁场。1ghz的测试上限适用于内部振荡器频率高达108mhz的dut。表5列出了扩展的上限范围,这些范围取决于最大内部振荡器频率。
表 1.cispr 22 b 类传导电磁干扰规范
频率范围
兆赫

值分贝 (μv)
准峰值
平均
0.15 到 0.50
66 到 56
56 到 46
0.50 到 5
56
46
5 到 30
60
50
表 2.cispr 22 a 类传导 emi 规范
频率范围
兆赫

值分贝 (μv)
准峰值
平均
0.15 到 0.50
79
66
0.5 到 30
73
60
表 3.cispr 22 b 类辐射 emi 规范
频率范围兆赫 准峰值限值 db (μv/m)
30 到 230 30
230 到 1,000 37
表 4.cispr 22 a 类辐射电磁干扰
频率范围兆赫 准峰值限值 db (μv/m)
30 到 230 40
230 到 1,000 47
表 5.具有 dut 内部振荡器频率的扩展测试上限范围
测试上限范围 dut 最大内部振荡器频率
1千兆赫 108兆赫
2千兆赫 500兆赫
5千兆赫 1千兆赫
6千兆赫 高于 1ghz
开关电源:噪声源在哪里?
开关电源会产生电磁能量和噪声,并受到外部侵略者电磁噪声的影响。开关电源产生的噪声可以是传导或辐射发射的形式。传导发射可以采用电压或电流的形式,每种形式都可以分为共模或差模。此外,连接线的有限阻抗使电压传导能够引起电流传导,反之亦然,差模传导会导致共模传导,反之亦然。
为了更详细地了解开关电源中的噪声源,图1给出了简化的降压稳压器原理图。
图1.简化的降压稳压器原理图。
传导电磁干扰
如图1所示,输入电流(i我) 是脉冲波形,它是传导、差分 emi 注入电源的主要来源 (vs).传导辐射主要由转换器输入端快速变化的电流形状(di/dt)驱动。传导辐射值以转换器输入端的电压(vs) 使用线路阻抗稳定网络 (lisn)。输入电容(c我) 滤除交流(脉冲)分量。净电流(is) 是 i 之间的差值我和我词.我s必须是直流或尽可能平滑。如果 c我是具有无限电容的理想电容器,它将保持v我恒定且有效地过滤掉i 的所有交流组件1,留下恒定 (dc) 电流从源极 v 流出s以及源阻抗两端的恒定直流压降(rs).在这种情况下,传导emi为零,因为is是直流电流。实际上,在输入源和转换器之间使用π滤波器,以将传导emi控制在监管限值内。
与便携式系统相比,传导发射通常会给固定系统带来更大的问题。由于便携式设备使用电池供电,因此负载和电源没有用于传导发射的外部连接。
辐射电磁干扰
辐射emi是快速变化的磁场,其高频含量为30mhz及以上。磁场由电路的电流环路产生。这些磁场的变化,如果没有适当的滤波或屏蔽,可能会耦合到附近的其他电路和/或设备中,并导致辐射emi效应。
图2.简化的降压稳压器原理图及其快速di/dt电流环路。
图2所示为具有快速di/dt电流环路i的降压转换器1和我2.电流回路i1在 s 的导通时间进行1打开且 s2已关闭。电流回路i2在休息时间进行,当 s1关闭且 s2已打开。电流环路的脉动性质 i1和我2引起磁场的变化,其磁场强度与电流大小和传导回路面积的变化成正比。快速di/dt电流边沿在调节辐射范围内产生高频谐波和emi。保持这些电流环路的面积小可以最大限度地降低场强。减慢这些边沿会降低开关稳压器的高频谐波含量,但由于能量浪费,缓慢的转换会影响稳压器的效率。本应用笔记介绍了在不影响效率的情况下将emi辐射降至最低的技术。
图3.电流环路产生的磁场。
电压节点lx(也被一些供应商称为sw等其他名称)是连接到电感器的矩形波(暂时忽略寄生振铃)。fast lx的dv/dt电压不连续边沿通过输出电感的寄生电容将高频电流耦合到co和负载,进而产生emi噪声。最小化输出电感的寄生电容可以减少这种噪声耦合问题。lx还具有高频寄生振铃,可以通过使用从lx到gnd的rc缓冲器网络来减少。
上述emi噪声源的相同原理也适用于其他开关转换器拓扑。但是,噪声的严重性取决于特定拓扑的电流和电压波形。考虑在连续导通模式下运行的升压转换器。在这种情况下,转换器的输入端具有较少的传导emi分量,因为与降压转换器相比,输入电流更连续。
在设计过程中预先设计和规划emi合规性对于项目成功至关重要。在游戏后期这样做会使该过程具有挑战性、耗时且成本高昂。线路滤波、电源设计、适当的pcb布局和屏蔽是将emi降至最低的一些常用技术。
设计 emi 线路滤波
输入源和电源转换器之间的π滤波器可降低功率转换器的传导辐射。通过执行步骤选择筛选器组件,如下所示:
1. 确定输入阻抗r在.降压转换器的最差情况下闭环输入阻抗为r在= ro/d2对于所有频率,其中 ro是输出负载,d是工作占空比。当转换器在最小输入电源电压下工作时,会出现最小输入阻抗。
示例:考虑maxim的喜马拉雅sip电源模块之一maxm17575,4.5v在至 60v在, 0.9v外至 54v外可提供高达 1.5a 的电流。以maxm17575评估板(ev kit)为例,最小输入电压为7.5v。输出负载为 rο = vο/iο = 5v/1.5a = 3.3ω。最大工作占空比为 d = vο/v英敏= 5v/7.5v = 0.66。因此,可能的最小输入阻抗为 r在= rο/d2= 3.3ω /0.662= 7.6ω.
2. 设计输出阻抗≤比r低10db的emi滤波器在.增加输入滤波器会影响dc-dc转换器的性能。为了将影响降至最低,滤波器的输出阻抗必须始终小于功率转换器的输入阻抗,直至转换器的交越频率。
图4.传导emi输入滤波器,插入输入和电源模块之间。
lc滤波器在其谐振频率(最高值)下的输出阻抗如下:
滤波器的有效阻抗比降压转换器的输入阻抗小10db,大约等于输入阻抗的三分之一。对于maxm17575示例,所需的zο为≤r在/3 = 7.6/3 = 2.5ω,所有频率最高可达maxm17575电路的交越频率,即45khz。
设计 pcb 布局以实现 emi 合规性
pcb布局对emi合规性有重大影响。糟糕的pcb布局可能会破坏具有完美电气设计的电源转换器。基于相同的降压转换器示例,以下是pcb布局的一些最佳实践,以最大程度地减少emi噪声源:
最小化高di/dt电流环路。
正确放置 lο、cο 和 s2靠近在一起以最小化 i2电流环路。
将整组组件靠近 s 放置1和 c1以最小化 i1电流环路。
使用法拉第盾牌。法拉第屏蔽或笼子是用于阻挡电磁场的外壳。在电力系统中实现法拉第屏蔽有两种常见的方法。
由导电材料(如铜)制成的笼子,用于包围整个电力系统或设备。电磁场包含在笼子内。然而,这种方法通常很昂贵,因为保持架材料和额外的装配劳动力的成本。
pcb顶部和底部都有屏蔽接地层的布局,通过通孔连接,以模仿法拉第笼。所有高di/dt回路都放置在pcb的内层,以便我们的法拉第笼屏蔽磁场向外辐射。如图6所示,这种方法成本较低,通常足以控制emi。
遵循这些pcb布局最佳实践提供了一种合理的方法,可以实现emi法规遵从性,而不会因降低开关边沿而降低功率转换器效率。
考虑maxim的喜马拉雅宽输入ic,max17502,工作在4.5v电压在至 60v在, 0.9v外至 54v外提供 1a 电流。以下是max17502 emi评估板pcb布局,采用法拉第屏蔽技术(b)。图7a显示了用作法拉第屏蔽的顶层和底层。图 7b 显示了用于路由的第二层和第三层内层。第二层用作额外的屏蔽,但也可用于路由跟踪。在这种布局中,高di/dt电流环路i1和我2在第三层布线,该层完全封闭在我们的法拉第盾中。
图 7a.顶层和底层用作法拉第盾牌。
图 7b.第二层和第三层(内部),在第三层路由高di/dt环路。
图8和图9所示为max17502 emi评估板的emi测试结果,该评估板通过cispr 22 b类认证,裕量良好。
图8.max17502 emi评估板传导emi测试结果。左:准峰值,右:平均。
图9.max17502 emi评估板辐射emi测试结果。
具有低 emi 的功率组件
由于来自输出电感器的磁场也会辐射并导致emi问题,因此使用低emi电感可降低辐射emi。建议使用屏蔽电感器,因为磁场是屏蔽的,并且包含在电感器结构内。避免使用磁能可以自由辐射的电感器类型。使用屏蔽电感器并采用良好pcb布局实践的功率模块表现出良好的emi性能。
低 emi 功率稳压器和模块
maxim的喜马拉雅稳压器和功率模块系列采用低emi功率电感和良好的pcb布局实践,提供固有的低emi电源解决方案。与市场上其他简单的切换台不同,使用 himalaya 解决方案意味着您无需担心合规性。maxim已完成ic、模块和示例参考布局的所有工作,因此您可以以最佳成本通过cispr 22(en 55022)。下面显示了示例maxm17575的emi测试结果以及输入emi滤波器信息:
表 6.maxm17575的电磁干扰测试结果
测试物品(eut)
maxm17575
结果
通过 en55022 (cispr 22)
b 类
被测设备修订版
修订版-p1
输入电压
24v 正极
输出电压
5.0v
开关频率
900千赫兹
输出电流
1.5安培
emi 滤波器配置 − 传导 emi 测试
图 10.maxm17575评估板emi滤波器配置,用于传导emi测试。
表 7.用于传导测试结果的滤波器组件
过滤器组件 价值 部件号 制造者
电感-l1 10微小时 pa4332.103nlt 脉冲电子
电容器-c1 0.1μf grm188r72a104ka35 村田制作所
电容器-c2, c3 0微克 grm32cr72a105ka35 村田制作所
电容器-c4 10μf eee-tg2a100p 松下
电容器-cin 2.2μf grm32er72a225ka35 村田制作所
图 11.maxm17575评估板传导emi测试结果。蓝色:准峰值,绿色:平均。
emi 滤波器配置 − 辐射 emi 测试
图 12.maxm17575评估板emi滤波器配置,用于辐射emi测试。
maxm17575具有极低的辐射emi。所示的传导emi测试输入滤波器不是必需的,也不用于辐射测试。使用输入滤波器可为辐射测试结果提供额外的通过裕量。
表 8.用于辐射测试结果的滤波组件
过滤器组件 价值 部件号 制造者
电容器-c1 0.1μf grm188r72a104ka35 村田制作所
电容器-c2 10微克 eee-tg2a100p 松下
电容器-cin 2.2μf grm32er72a225ka35 村田制作所
图 13.maxm17575评估板辐射emi测试结果。
结论
在设计周期的最早阶段解决设计的emi合规性对于项目成功至关重要。本应用笔记介绍了最大限度降低emi的常用技术,以及线路滤波设计、良好pcb布局和屏蔽实践的指南和示例。使用适当的滤波器(低emi pmic、元件和/或电源模块)和良好的pcb布局技术和屏蔽来应用精心规划的设计,可以让您走上正确的轨道,实现一次通过的成功。


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