【導讀】憑借其高功率轉(zhuǎn)換效率，開關(guān)模式電源在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。但是，開關(guān)模式電源數(shù)量增加的一個副作用是會產(chǎn)生開關(guān)噪聲。這些噪聲一般被稱為電磁干擾(EMI)、EMI噪聲，或者單純就是噪聲。例如，典型的降壓轉(zhuǎn)換器輸入側(cè)的開關(guān)電流屬于脈動電流，富含諧波成分。快速開啟和關(guān)閉功率晶體管會導致電流突然中斷，導致高頻電壓振蕩和尖峰。
問題在于，高頻率噪聲會與系統(tǒng)中的其他器件耦合，降低敏感的模擬或數(shù)字信號電路的性能。因此，工業(yè)界產(chǎn)生了許多標準，來設(shè)定了可接受的EMI限值。為了滿足開關(guān)模式電源的這些限值，我們首先必須量化其EMI性能，如果必要，還要添加合適的輸入EMI濾波，以衰減EMI噪聲。遺憾的是，EMI分析和濾波器設(shè)計對工程師常常是一項困難任務(wù)，需要反復(fù)進行設(shè)計、構(gòu)建、測試和重新設(shè)計，非常耗費時間—這還是在擁有合適的測試設(shè)備的前提下。為了加快EMI濾波器設(shè)計過程，以滿足EMI規(guī)格要求，本文介紹如何輕松快速地對EMI噪聲分析和濾波器設(shè)計進行估算，并使用ADI的LTpowerCAD®程序進行預(yù)構(gòu)建。
不同類型的EMI：輻射和傳導噪聲、共模和差模
EMI噪聲主要分為兩種類型：輻射型和傳導型。在開關(guān)模式電源中，輻射型EMI一般由開關(guān)節(jié)點上的快速變化，高dv/dt噪聲產(chǎn)生。電磁輻射行業(yè)標準一般覆蓋30 MHz至1 GHz頻段。在這些頻率下，開關(guān)穩(wěn)壓器產(chǎn)生的輻射EMI主要來自開關(guān)電壓振蕩和尖峰。這種噪聲在很大程度上取決于PCB板的布局。因為這些噪聲由電路寄生參數(shù)決定，對一個工程師來說，除了保證良好PCB布局實踐之外，幾乎不可能在“演算紙上”準確預(yù)測開關(guān)模式電源會傳輸多少輻射EMI。要量化其輻射EMI噪聲等級，我們必須在設(shè)計完備的EMI實驗室內(nèi)測試電路板。
傳導型EMI由開關(guān)穩(wěn)壓器傳導輸入電流的快速變化引起，包括共模(CM)和差模(DM)噪聲。傳導EMI噪聲的行業(yè)標準限值覆蓋的頻率范圍一般比輻射噪聲的范圍小，為150 kHz至30 MHz。圖1所示為DC-DC電源（即EMI實驗室中的待測設(shè)備DUT）的共模和差模噪聲的常見傳導路徑。
為了量化輸入端傳導EMI，我們需要測試時在穩(wěn)壓器的輸入端設(shè)置一個線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)，用以提供標準輸入源阻抗。在每條輸入線路和接地之間測量共模傳導噪聲。共模噪聲在高dv/dt開關(guān)節(jié)點上生成，通過器件的寄生PCB電容CP接地，然后傳輸至電源輸入LISN。與輻射EMI一樣，高頻開關(guān)節(jié)點噪聲和寄生電容很難被準確地建模預(yù)估。
差模（DM）噪聲是在兩條輸入線路之間進行差分測量。DM傳導噪聲從開關(guān)模式電源的高di/dt、脈沖輸入電流中產(chǎn)生。幸運的是，不像其他EMI類型，輸入電容和LISN電路中產(chǎn)生的脈沖輸入電流和由此導致的相對低頻率EMI可以利用LTpowerCAD等軟件預(yù)測，且精度較高。這也是本文討論的重點。
圖1.對開關(guān)模式電源的差模和共模傳導EMI實施基于LISN的測量的概念概述。
圖2所示為開關(guān)模式降壓型電源（不帶輸入EMI濾波器）的典型差模EMI噪聲圖。最顯著的EMI尖峰在電源的開關(guān)頻率下出現(xiàn)，額外的尖峰則在諧波頻率下出現(xiàn)。在圖2所示的EMI圖中，這些尖峰的峰值超過了CISPR 22 EMI限值。要滿足這些標準，需采用一個EMI濾波器來衰減差模EMI。
圖2.不帶輸入EMI濾波器的開關(guān)模式降壓型電源的典型差模EMI圖。
差模傳導EMI濾波器
圖3所示為開關(guān)模式電源輸入側(cè)的典型差模傳導EMI噪聲濾波器。在本例中，我們在電源的本地輸入電容CIN（EMI噪聲源一側(cè)）和輸入源（LISN接收器一側(cè)）之間添加了一個簡單的一階低通 LfCf網(wǎng)絡(luò)。這與標準EMI實驗室的測試設(shè)置匹配，其中LISN網(wǎng)絡(luò)被連接到LC濾波器的濾波電容 Cf 一側(cè)。使用頻譜分析儀測量LISN電阻R2上的差分信號，就可以量化DM傳導EMI噪聲。
圖4所示為LC濾波器的衰減增益圖。在極低頻率下，電感有低阻抗，本質(zhì)上近似短路，而電容的阻抗高，本質(zhì)上近似開路。對應(yīng)得出的LC濾波器增益為1 (0 dB)，使得直流信號能夠無衰減傳輸。隨著頻率升高，在LfCf的諧振頻率處出現(xiàn)增益尖峰。當頻率高于諧振頻率時，濾波器增益按–40 dB/10倍頻程的速率衰減。在相對較高的頻率下，濾波器增益基本由元件的寄生參數(shù)決定：比如濾波器電容的ESR和ESL，以及濾波器電感的并聯(lián)電容。
由于此LC濾波器的衰減能力隨頻率升高而迅速增強，所以前幾次的低頻噪聲諧波的幅度在很大程度上決定了EMI濾波器的大小，其中電源開關(guān)頻率(fSW)處的基本噪音成分是最重要的目標。因此，我們可以將重點放在降低EMI濾波器的低頻增益上，以滿足行業(yè)標準。
圖3.差模EMI噪聲濾波器（從節(jié)點B至節(jié)點A）。
圖4.典型的單LC EMI濾波器插入增益與頻率之間的關(guān)系圖。
LTpowerCAD可以方便預(yù)測電源的濾波器性能
LTpowerCAD是一款電源設(shè)計輔助工具，可以在analog.com/LTpowerCAD費下載安裝。該程序可以為工程師提供輔助設(shè)計，讓他們只需簡單幾步，在幾分鐘內(nèi)就能設(shè)計和優(yōu)化整個電源參數(shù)。
LTpowerCAD引導用戶完成整個電源選擇和設(shè)計過程。用戶可以開始輸入電源規(guī)格，在此基礎(chǔ)上，LTpowerCAD選擇的合適的解決方案，然后幫助用戶選擇功率級組件，優(yōu)化電源效率、設(shè)計環(huán)路補償和負載瞬態(tài)響應(yīng)。
在本文中，我們要介紹的是LTpowerCAD的輸入EMI濾波器設(shè)計工具，它使工程師能夠快速估算差模傳導EMI，并確定滿足EMI標準需要哪些濾波器組件。LTpowerCAD的濾波器工具可以幫助工程師在實際制板和測試前，就預(yù)估濾波器的參數(shù)，從而顯著縮短設(shè)計時間和降低設(shè)計成本。
采用LTpowerCAD實施EMI濾波器設(shè)計
概述
現(xiàn)在讓我們來看看DM EMI濾波器設(shè)計示例。圖5所示為LTpowerCAD原理圖設(shè)計頁面，顯示了使用LTC3833降壓轉(zhuǎn)換控制器的電源組件選擇。在這個例子中，該轉(zhuǎn)換器采用12 V輸入和5 V/10 A輸出。開關(guān)頻率fSW是1MHz。在設(shè)計EMI濾波器之前，我們應(yīng)首先通過選擇開關(guān)頻率、功率級電感、電容和FET來設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器。
圖5.LTpowerCAD原理圖設(shè)計頁面和集成式EMI工具圖標。
在選擇功率級組件后，如圖6所示，我們可以點擊EMI設(shè)計圖標，來打開DM EMI濾波器工具窗口。這個EMI設(shè)計窗口顯示了電源輸入電容CINB/CINC 和輸入端LISN之間的輸入濾波器網(wǎng)絡(luò)LfCf。此外，還有備用的阻尼電路，例如LISN一側(cè)的網(wǎng)絡(luò)CdA/RdA、電源輸入電容一側(cè)的網(wǎng)絡(luò)CdB/RdB ，以及濾波器電阻Lf中的備用阻尼電阻RfP。圖6右側(cè)是估算的傳導EMI噪聲圖和所選的EMI標準限值。
圖6.LTpowerCAD傳導DM EMI濾波器設(shè)計窗口 (Lf = 0，無濾波器)。
選擇一項EMI標準
在設(shè)計EMI濾波器時，您需要了解設(shè)計目標——即EMI標準本身。LTpowerCAD內(nèi)置CISPR 22（常用于電腦和通訊設(shè)備）、CISPR 25（常用于汽車器件）和MIL-STD-461G標準的示意圖。您可以直接從EMI規(guī)格下拉菜單中選擇您所需的標準。
在圖6的例子中，濾波器電感的值設(shè)置為0，以顯示在沒有輸入濾波器的情況下的EMI結(jié)果。EMI尖峰在基波和諧波頻率下出現(xiàn)，都超過了所示的CISPR 25標準的限值，導致EMI與規(guī)格原理圖顯示屏上出現(xiàn)紅色警示。
設(shè)置EMI濾波器參數(shù)
在選擇所需的EMI標準后，你可以輸入所需的EMI裕量，即所選標準限值與基波頻率峰值之間的距離。一般可以選擇3 dB至6 dB裕量。在這些選項中，LTpowerCAD程序利用給定的濾波器電容Cf和電源工作條件計算出建議的濾波器電感值L¬¬-sug.，顯示在LTpowerCAD黃色單元格中。你可以在L單元格中輸入一個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顯示設(shè)計工具建議采用0.669 µH濾波器電感，用戶實際輸入0.72 µH電感，以滿足其要求。關(guān)于濾波器帶來的好處，可以通過比較帶濾波器時的結(jié)果和不帶濾波器時的結(jié)果得出。打開顯示不帶輸入濾波器的EMI選項，你可以查看疊加在不帶濾波器的灰色示意圖上方的濾波結(jié)果。
在選擇濾波器電容Cf時，有一個重要細節(jié)需要注意。X5R、X7R等類型的介電材料的多層陶瓷電容(MLCC)，其電容值會隨著直流偏置電壓的增大而顯著下降。因此，除了LTpowerCAD的標稱電容C(nom)之外，用戶還應(yīng)該在施加直流偏置電壓(VINA或VINB)的情況下輸入實際電容值。
關(guān)于降額曲線，請參考電容供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)手冊。如果所選的MLCC電容來自LTpowerCAD庫，程序會自動估算該電容與直流偏置電壓相關(guān)的降額。
另外，我們也需要考慮輸入濾波器電感值的變化。電感隨直流電流飽和時，會產(chǎn)生非線性電感。隨著負載電流增加，電感值可能明顯下降，特別是對于鐵氧體磁珠類型電感而言。用戶應(yīng)輸入實際電感，以生成準確的EMI預(yù)測。
圖7.選擇濾波器電感值以滿足EMI標準限值。
檢查濾波器衰減增益
在圖7所示的帶輸入濾波器的EMI圖中，LC輸入濾波器在245 kHz處諧振（頻率低于 電源開關(guān)頻率），產(chǎn)生了一個噪聲尖峰。圖8所示為濾波器衰減增益圖，該圖代替了LTpowerCAD EMI窗口（點擊濾波器衰減選項卡）中的EMI結(jié)果，用于顯示濾波器在245 kHz時的諧振衰減增益。
在某些情況下，LC諧振峰值可能導致噪聲超過EMI標準。為了衰減這個諧振峰值，可以添加一對額外的阻尼組件CdA和RdA ，與濾波器電容Cf并聯(lián)。除了顯示衰減圖之外，LTpowerCAD還簡化了選擇這些組件的過程。一般情況下，選擇值為真實濾波器Cf值的2到4倍的阻尼電容CdA。LTpowerCAD會提供建議的阻尼電阻RdA值，以降低諧振峰值。
圖8.EMI濾波器衰減增益（在LISN端有和沒有阻尼）。
檢查濾波器阻抗和電源輸入阻抗
在開關(guān)模式電源前添加一個輸入EMI濾波器時，濾波器的輸出阻抗ZOF會與電源的輸入阻抗ZIN,相互作用，可能會造成電路振蕩。為了避免這種不穩(wěn)定的情況，EMI濾波器的輸出阻抗幅度ZOF, 應(yīng)該遠低于電源輸入的阻抗幅度ZIN, ，并留有足夠的裕量。圖9顯示ZOF和ZIN的概念以及它們之間的穩(wěn)定裕量。
為了簡化分析過程，可以將具備高反饋環(huán)路帶寬的理想電源用作恒定功率負載；也就是說，輸入電壓VIN乘以輸入電流的值是恒定的。隨著輸入電壓增大，輸入電流減小。因此，理想電源具有負輸入阻抗ZIN = –(VIN2)/PIN.
T為了便于設(shè)計輸入濾波器，LTpowerCAD在圖10所示的阻抗圖中顯示濾波器輸出阻抗ZOF和電源輸入阻抗ZIN 。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（即最低的阻抗電平）在VIN最小、PIN最大時發(fā)生。
如圖10所示，EMI濾波器輸出阻抗在濾波器電感Lf和電源輸入電容CIN引起的諧振頻率上出現(xiàn)峰值點。在一個好的設(shè)計中，這個峰值的幅度應(yīng)該低于最壞情況下ZIN引起的諧振頻率上出現(xiàn)峰值點。在一個好的設(shè)計中，這個峰值的幅度應(yīng)該低于最壞情況下CdB和電阻RdB，與電源輸入電容CIN并聯(lián)。這種CIN側(cè)阻尼網(wǎng)絡(luò)可以有效降低濾波器ZOUT峰值。LTpowerCAD EMI工具提供了建議的CdB和RdB 參數(shù)。
圖9.檢查EMI濾波器輸出阻抗和電源輸入阻抗是否穩(wěn)定。
圖10.LTpowerCAD EMI濾波器阻抗圖（有阻尼和無阻尼）。
LTpowerCAD EMI濾波器工具的精度
為了驗證LTpowerCAD EMI濾波器工具的精度，我們進行了基于真實的電路板在EMI實驗室的實際測試比較。圖11所示為使用經(jīng)過修改的LTC3851降壓型電源演示板（采用750 kHz、12 V輸入電壓、1.5 V輸出電壓和10 A負載電流）實施真實測試得出的結(jié)果和LTpowerCAD預(yù)測EMI噪聲之間的比較。如圖11所示，測試得出的EMI數(shù)據(jù)和使用LTpowerCAD模擬得出的EMI數(shù)據(jù)的低頻段噪聲峰值是大致匹配的。實際測試的峰值比模擬得出的EMI峰值略低幾個dB。
在更高頻率段，不匹配的幅度更大，但是如前所述，由于DM傳導EMI濾波器的大小主要由低頻率噪聲峰值決定，所以這些高頻段的誤差并不太重要。很多高頻段誤差是由電感和電容寄生模型的精度導致，包括PCB布局寄生值；就目前而言，基于PC的設(shè)計工具還達不到這種精度。
圖11.真實的板實驗測量得出的EMI和LTpowerCAD估算的EMI(12 VIN至1.5 VOUT/10 A 降壓示例）。
值得強調(diào)的是，LTpowerCAD過濾器工具是一款估算工具，可用于提供EMI濾波器初始設(shè)計。要獲得真正準確的EMI數(shù)據(jù)，用戶還需要構(gòu)建電源電路板原型，并進行真實的實驗測試。
總結(jié)
許多行業(yè)使用的系統(tǒng)都需要越加嚴格地抑制電磁噪聲干擾。因此，工業(yè)界針對EMI噪聲發(fā)布了許多明確的標準。與此同時，開關(guān)模式電源的數(shù)量不斷增加，且安裝位置更加靠近敏感電路。開關(guān)模式電源是系統(tǒng)中EMI的主要來源，因此在很多情況下都需要量化其噪聲輸出并降低。問題是，EMI濾波器的設(shè)計和測試往往是一個反復(fù)嘗試的過程，非常耗費時間和設(shè)計成本。
為了解決這個問題，LTpowerCAD工具可以讓設(shè)計人員能夠在實施真實的設(shè)計和測試前，使用基于計算機的預(yù)測模擬，從而極大地節(jié)省時間和成本。易于使用的EMI濾波器工具可以預(yù)估差模傳導EMI濾波器參數(shù)，包括可選的阻尼網(wǎng)絡(luò)，以最大程度降低EMI，同時保持穩(wěn)定的電源。實驗測試結(jié)果驗證了使用LTpowerCAD預(yù)測結(jié)果的準確性。
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