开关电源EMC设计

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本文由达尔闻特邀分享者、资深工程师子慕云分享，同时本篇文章也在知乎汽车电子基础专栏可以查看。

开关电源的设计有三大难题，可能会导致设计在最后一刻功败垂成，那就是热问题、安规问题和电磁干扰。其中，电磁干扰问题是最难被预测的，并且受时间约束（测试费用昂贵，且按小时计费）。

电磁干扰像一个“气球”，若试图在某一频率“压下”，可能会在另一频率“鼓起”。在设法符合了传导发射之后，可能会发现辐射限制又超标了，诸如此类。

电磁干扰是开关电源设计中公认的最具挑战性的领域，许多非特征性寄生参数会对测试结果产生影响，因此需要投入大量的人为调整（连蒙带猜、又凑又碰、死马当活马医）。当然，如果对开关电源的原理有清晰而深刻的理解，并且在设计阶段把关键因素考虑进去，那么在电磁干扰测试和调试过程中，主体部分便无需重新设计，避免功亏一篑的“灾难”发生。

电磁干扰现象的发生

任何天线既是良好的接收器，又是良好的发射器。有些情况下，从输出电缆开始辐射，然后被输入电缆（通过辐射）接收，并从该点传导给建筑的配电网（再次辐射）。输入和输出电缆线经常携带大量的高频电磁噪声，在辐射频谱和传导频谱中都能看到。

麦克斯韦方程组表明，时变电场（E，量纲V/m)产生时变磁场(H，量纲A/m)，反之亦然。电场E和磁场H同时存在，与原始磁源和电源之间存在时间差。电磁场在一定距离外组合成电磁波并以光速在空间传播。

极远距离处的电磁场相互成正比，能够形成自我维持且远距离传播的电磁波（甚至穿越银河系）。如果电磁波的一个分量（电场或磁场）遭到破坏，那么整个电磁波将不复存在。因此，远场常用射频屏蔽或电磁屏蔽，抑制缓变的电磁场和（或）近场，常用静电屏蔽和（或）磁屏蔽。

电路的场有如下四种基本类型：（1）静电场：电荷的固定分布，电荷不能移动，无法形成电流（2）静磁场：由直流回路产生，与静电场成对偶关系。恒定磁场H不随时间变化，场信息无法传播（3）时变电场（4）时变磁场。

电场E和磁场H的比值成为波阻抗。PCB上一个小环形电流回路就能产生磁场，而电压跳变的铜条或金属条就能形成电场源（例如散热器）。一旦场随时间变化，磁场就能产生相应的电场，电场也能产生相应的磁场。距离很远时，电场与磁场互成正比，并形成电磁波。远场和近场的边界定义为距电磁干扰源约1/6波长处，即0.16波长处。近场的磁场和电场对空间辐射的能量很小，能量主要集中在近场范围内。

图1 自由空间的电磁阻抗

DC/DC电路的EMC问题

影响EMC性能有三大要素，分别是干扰源、耦合路径和敏感设备。

图2 影响EMC的三大要素

1）噪音源

以BUCK为例，DC/DC芯片开关过程中产生电压和电流的变化，包含了较快的di/dt和dv/dt噪声分量，这是噪音源。

图3 BUCK电路的常见开关波形

图4 开关波形的斜率与噪音衰减的关系

以BUCK为例，DC/DC芯片的开关噪声的开关斜率越小，高频噪声的分量衰减就越大。

2）传播路径

EMC噪音以传导和空间辐射的形式对外辐射。阻断空间辐射的最好方式是做好金属屏蔽，而传导则比较麻烦，噪音会以磁场和电场的形式耦合到附件的器件和PCB走线上，然后通过连接器传到线束上，然后导致空间辐射或者传导超标。

图5 传导中常见近场磁场的干扰

图6 传导中常见近场电场的干扰

传导发射可基本分为两类：

（1）差模（DM），也称为对称模式或普通模式

（2）共模（CM），也称为非对称模式或接地泄露模式

图7 差模和共模噪音

共模噪音的产生是由于PCBA与机壳之间存在着容性耦合，电路上的高频电压跳变会通过容性耦合通过机壳导入（泄露）大地，所以在线束上被测试到共模噪音。同时，共模噪音会把长输出电缆作为巨型天线。从共模噪音的产生机理中，我们也可以推断出共模电流频率通常要比差模电流频率高很多。因此，它有能力产生强烈的辐射。如果线路阻抗不相等，共模噪音会转化为差模噪音，从源头控制噪音很重要。

测量电磁干扰要用到阻抗稳定网络(ISN)。在离线电源中，它称为线路阻抗稳定网络(LISN)，也称为人工电源网络(AMN）。它的作用是阻挡一切来自电网对外部噪声进入测试区域，为待测装置提供纯净的测试环境；同时，也阻止电源噪声进入电网，将其转入测试区域。

图8 传导发射测试时的人工网络(LISN)

将机器的金属外壳接地的目的是防止装置内辐射外泄。金属外壳也常被用作良好的散热器，这样的后果是内部子系统或电路与金属机壳之间产生了泄露路径（阻性或容性），即使泄露电流很小也足以产生电磁干扰的问题。但是，如果这些泄露电流不能以某种方式排放，外壳将充电至不可预测且不确定的电压，并最终辐射出去（电偶极子或电场源）。也就是说，未接地的外壳会感应并再次辐射内部强电场或强磁场。即使没有功率器件安装在外壳上，内部电路与外壳之间也会有其他泄露路径，所以外壳接地不可避免。

Layout设计对EMC的影响

1）DC/DC电源的两大噪音源：DC/DC芯片的主要噪声源是高频电流环路(Hot loop)和高频开关节点(SW note), 包含了比较宽频段的谐波分量。

图9 DC/DC 的两大噪音源

2）高频电流环路(Hot loop)和高频开关节点(SW note)分别产生交变的磁场和电场。高频电流环路形成的磁场大小取决于环路面积和电流大小。磁场强度随着电流和环路面积而增大。

图10 DC/DC 的两大噪音源

3）在设计开关电源的PCB时，切记，必须使电压跳变的铜面积（例如交换节点处）最小化，同时减小所有电流回路包围的面积，特别是含有高频谐波的回路。

图11 减小节点面积相当于减小等效的耦合电容，有助于减小共模电流

4）在Layout设计时，对各种拓扑的高频电流环路需要了然于心。高频电流环路存在于开关回路和滤波电容之间，电感电流是连续的三角波波形，相对而言不是关注的重点。高频电流环路主要存在于电流切换的支路，开关管和连接在开关端两端的电容组成了高频电流回路。

图12 各种拓扑的高频电流环路

接着，减少高频电流回路面积是设计时重点关注和采取的措施，以BUCK为例：

a）尽量使用同步Buck方案减少高频电流回路面积。

b）输入电容靠近开关管放置。电容要尽可能的靠近开关管，同步buck芯片的输入电容要靠近芯片放置。

图13 不同的电容放置方法导致，高频环路的环路大小不一样，环路越小，磁场能量越小

c）芯片内部集成电容，通过芯片内部集成电容的方式，进一步减小电容，Linear和MPS已有相应的方案。芯片集成电感对EMI有巨大的帮助，可以极大的减小近场磁场能量，对传导和辐射都有很好的改善。

图14 MPS集成电容的电源方案的EMC测试

d）对称放置输入电容抵消磁场：

图15 采用对称电容设计的电路，磁场抵消后辐射能量减弱

e）高频电流环路底层完整PCB铺铜

减少电磁干扰最有效和性价比最高的方法是覆铜，但是必须尽可能保证覆地层的完整性。切记，低频时的返回电流总是试图按照最短的直线路径流动。但高频时的返回电流（或开关波形中的高次谐波）总是试图直接按照自己的前进轨迹（在对面层）流动。因此，一旦有机会，电流将自动按照包围面积最小的路径流动。该路径自感最小，回路阻抗最低（回路阻抗在低频呈阻性，但在高频段呈感性）。所以，若对覆地层的分割考虑不周（可能为了方便布线），功率变换器的返回电流就会被其中的分割线分流，从而在PCB板上形成有效的缝隙天线。

图16 高频电流环路底层完整PCB铺铜

完整的地平面可以感应出电流，并形成相反的磁场来抵消高频环路带来的磁场。完整的铺铜距离高频环路越近，对磁场的削弱作用越强。

图17 不同距离铺铜的磁场强度

5）电感挖地会破坏完整的地

图18 电感挖地会破坏完整的地

6）输入滤波器远离高频电流环路。

图19 输入滤波器远离高频电流环路

注意，输入端滤波器位置的摆放，远离高频电流环路。

7）避免功率地和输入地的耦合：输入和输出电容的地汇集至一点，使得电源模块是一个整体。

图20 避免功率地和输入地的耦合

开关电源的EMC设计建议

（一）、器件选型

改善EMC性能，拓扑和器件选型很重要，选型恰当可“事半功倍”。

选择恰当的拓扑：在设计系统电源架构时，平衡成本及设计难度的前提下，规避使用EMC性能比较难驾驭的拓扑结构，比如SPEIC的EMC性能调试较有难度。BUCK-BOOST电路在输入和输出接近时，系统也容易不稳定。

芯片选型：可以参考下列要点，芯片设计难度高，下列要点只是强调几个方面的要点，不是设计的准则，选型需要考虑的因素比较多，譬如成本考量、功能要求、电源架构的延续与继承，等等。

（1）使用同步类型DC/DC芯片

（2）使用高集成度的电源方案，譬如集成MOSFET的Buck Convertor，二合一的BUCK，等。

（3）FPWM选项：在电源效率符合要求的前提下，配置为FPWM(Force PWM，强制PWM模式)。电源的轻载模式，因为开关频率的不固定，对EMC性能有较大的副作用。

（4）外部时钟同步（External SYNC）选项：可配置外部同步时钟的电源芯片，留了一个通过软件转移EMC超标频点的可能。不过，这个功能的主要目的是应对电源对AM模块的干扰，对EMC的实际效果需要根据实际情况而定。

（5）展频(Spread Spectrum)选型：对开关信号的展频对EMC的性能改善有直接的帮助。但是，需要注意的是，展频选项和第（4）条的外部时钟选项是冲突的，外部时钟同步的优先级更高。当外部时钟被使能，展频(Spread Spectrum)将自动关闭。

外围器件选型：电源模块的外围器件的选型对EMC的性能影响也很大，特别是电感。在设计成本可以被平衡的前提下，尽量选用一体成型的屏蔽电感，避免选用旧式的组装电感，磁场会从空隙里渗漏出来。

磁封胶电感是平衡成本与性能的一个不错的选择，但是磁封胶电感的漏磁仍然是比较明显的。在选择磁封胶电感时，可以考量以下两个要点：电感的厚度：电感越薄，漏磁的辐射范围越小，对EMC性能越有帮助；布线时注意磁封胶电感的管脚处裸露的铜线对磁场的泄露。

（二）、原理图设计

1）平衡电源效率及其它要求的前提下，尽可能配置成FPWM(Force PWM）模式；

2）低频开关频率有利于EMC性能但是会导致外围器件的尺寸，主要是电感和输出电容；

3）开关频率的选择还需要考虑对AM及其它频率敏感的模块的干扰；

4）控制芯片输入端必须放置Bypass电容，推荐容值为100nF，在Layout时靠近芯片管脚摆放；

5）预留Snubber电路，等PCBA回来时实际调试；

（三）、Layout设计

1）首先，识别大电流回路，包括输入部分的大电流回路和输出部分的大电流回路。大电流流经的路径一般会注意的，比如铺设电源平面，加粗走线，等等。

在这些常规操作之外，比较容易忽视的是回流路径（俗称“地”）的处理，这像一个城市的下水道，不呈现在面上的设计才是真的考验。关于地的设计，后续细述。

2）接着，保护好敏感信号，譬如环路补偿电路、电压反馈，等。在复杂的电源设计中，可以根据规格书的建议并在它的指导之下把敏感信号进行分地。这里所谓的“分地”是指把敏感信号的回流路径连接到一起，然后统一接入功率地。

注意：保证电源模块的地平面完整，不要进行人为割裂，譬如这是信号地平面，这是功率地平面，不但是一厢情愿，而且容易弄巧成拙，因为开关电源里的噪音包括开关信号的噪音以及电感的漏磁，都需要尽可能完整的地平面来吸收，所以地平面不能割裂。

3）确保大电流回路的面积最小，高频di/dt回路是大电流回路之中最关键的一环，所以优先保证高频di/dt回路的面积最小。Buck电路的高频di/dt回路是输入回路，Boost电路的高频di/dt是输出回路。

4）高频dv/dt节点是电感与控制芯片或者MOSFET相连接的那个节点，这个节点产生的高频dv/dt会耦合到机壳或散热片，通过机壳将一部电“漏走”，导致共模噪音。

5）确保Bypass电容（~100nF）靠近放置于控制芯片的电源输入管脚处，并且在同一面，因为过孔会产生寄生电感，从而引起过冲，可能导致芯片工作异常。

6）Snubber电路靠近控制芯片的开关节点。如果是异步拓扑，Snubber电路靠近肖特基二极管；如果是功率MOSFET是外置的，Snubber电路靠近MOSFET。

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