【導(dǎo)讀】有必要采用一些其他方法來提高傳導(dǎo)EMI的性能。本文主要討論的是引入輸入濾波器來濾除噪聲,或增加屏蔽罩來鎖住噪聲。
一直以來,設(shè)計(jì)中的電磁干擾(EMI)問題十分令人頭疼,尤其是在汽車領(lǐng)域。為了盡可能的減小電磁干擾,設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在設(shè)計(jì)原理圖和繪制布局時(shí),通過降低高di / dt的環(huán)路面積以及開關(guān)轉(zhuǎn)換速率來減小噪聲源。
但是,有時(shí)無論布局和原理圖的設(shè)計(jì)多么謹(jǐn)慎,仍然無法將傳導(dǎo)EMI降低到所需的水平。這是因?yàn)樵肼暡粌H取決于電路寄生參數(shù),還與電流強(qiáng)度有關(guān)。另外,開關(guān)打開和關(guān)閉的動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的電流,這些不連續(xù)電流會(huì)在輸入電容上產(chǎn)生電壓紋波,從而增加EMI。
因此,有必要采用一些其他方法來提高傳導(dǎo)EMI的性能。本文主要討論的是引入輸入濾波器來濾除噪聲,或增加屏蔽罩來鎖住噪聲。
圖1 EMI濾波器示意簡圖
圖1是一個(gè)簡化的EMI濾波器,包括共模(CM)濾波器和差模(DM)濾波器。 通常,DM濾波器主要用于濾除小于30MHz的噪聲(DM噪聲),CM濾波器主要用于濾除30MHz至100MHz的噪聲(CM噪聲)。 但其實(shí)這兩個(gè)濾波器對于整個(gè)頻段的EMI噪聲都有一定的抑制作用。
圖2顯示了一個(gè)不帶濾波器的輸入引線噪聲,包括正向噪聲和負(fù)向噪聲,并標(biāo)注了這些噪聲的峰值水平和平均水平。 其中,該被測系統(tǒng)主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1輸出5V/5A,并給后續(xù)芯片TPS65263QRHBRQ1供電,同時(shí)輸出1.5V/3A,3.3V/2A以及1.8V/2A。 這兩個(gè)芯片都工作在2.2MHz的開關(guān)頻率下。 另外,圖中顯示的傳導(dǎo)EMI標(biāo)準(zhǔn)是CISPR25 Class 5(C5)。有關(guān)該系統(tǒng)的更多信息,請查閱應(yīng)用筆記SNVA810。
圖2 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(無濾波器)
圖3顯示了增加一個(gè)DM濾波器后的EMI結(jié)果。 從圖中可以看出,DM濾波器衰減了中頻段DM噪聲(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高頻段噪聲(30MHz至100MHz)也有所降低,但仍超過限制水平。這主要是因?yàn)镈M濾波器對于高頻段CM噪聲的濾除能力有限。
圖3 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶DM濾波器)
圖4顯示了增加CM和DM濾波器后的噪聲特性。 與圖3相比,CM濾波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪聲。 并且EMI性能也通過了CISPR25 C5標(biāo)準(zhǔn)。
圖4 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶CM和DM濾波器)
圖5顯示了不同布局下帶CM和DM濾波器的噪聲特性,其中濾波器與圖4相同。但與圖4相比,整個(gè)頻段的噪聲增加了大約10dBμV/ m,高頻噪聲甚至還超出CISPR25 C5標(biāo)準(zhǔn)的平均值。
圖5 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶CM和DM濾波器,不同布局)
圖4和圖5之間噪聲結(jié)果的不同主要是由于PCB布線差異所致,如圖6所示。圖5的布線中(圖6的右側(cè)),大面積覆銅(GND)包圍著DM濾波器,并和Vin走線形成了一些寄生電容。 這些寄生電容為高頻信號旁路濾波器提供了有效的低阻抗路徑。 因此,為了最大限度地提高濾波器的性能,需要移除濾波器周圍所有的覆銅,如圖6左側(cè)的布線。
圖6 不同的PCB布線
除了增加濾波器外,另一種優(yōu)化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。 這是因?yàn)檫B接著GND的金屬屏蔽罩可以阻止噪聲向外輻射。 圖7推薦了一種屏蔽罩的擺放方法。該屏蔽罩恰好覆蓋了板上所有的元器件。
圖8顯示了增加濾波器和屏蔽罩之后的EMI結(jié)果。 如圖所示,整個(gè)頻段的噪聲幾乎都被屏蔽罩消除,EMI性能非常好。 這主要是因?yàn)榈刃樘炀€的長輸入引線會(huì)耦合大量輻射噪聲,而屏蔽罩恰好隔絕了它們。在本設(shè)計(jì)中,中頻噪聲也會(huì)采用這種方式耦合到輸入引線上。
圖7 帶屏蔽罩的PCB 3D模型
圖8 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶CM,DM濾波器以及屏蔽罩)
圖9也顯示了帶濾波器和屏蔽罩的噪聲特性。與圖8 不同的是,圖9中屏蔽罩是一個(gè)金屬盒,它包裹了整個(gè)電路板,且只有輸入引線裸露在外面。 雖然有了這個(gè)屏蔽罩,但一些輻射噪聲仍然可以繞過EMI濾波器并耦合到PCB上的電源線,這將會(huì)導(dǎo)致比圖8更差的噪聲特性。有趣的是,圖4,圖8和圖9中(相同的布局布線)高頻帶的噪聲特性幾乎相同。 這是因?yàn)樵谠黾覧MI濾波器后,能耦合到輸入線上的高頻段輻射噪聲幾乎已經(jīng)不存在了。
圖9 C5標(biāo)準(zhǔn)下的噪聲特性(帶CM,DM濾波器以及屏蔽金屬盒)
綜合來說,增加EMI濾波器或者屏蔽罩都能有效的改善EMI性能。但是與此同時(shí),濾波器的布局布線以及屏蔽罩的擺放位置需要仔細(xì)斟酌。