电源设计中EMI是如何产生、传播以及优化

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现代电力电子系统通常在开关模式下工作，产生了较大的电磁干扰(EMI)，EMI问题一直是电力电子工程师头疼的问题，解决EMI问题是一项既困难又耗时的工作，本文将介绍EMI是如何产生、传播以及如何优化解决。
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常见缩略语：
/ x0 o* g9 S+ v! B- s1 o" g1 u& |
/ A" c9 u$ |. S- f8 N4 {● EMC(Electromagnetic Compatibility)：电磁兼容性● EMI(Electromagnetic InteRFerence)：电磁干扰
● EMS(Electromagnetic Susceptibility)：电磁抗扰度
' o7 M% A- l: K! P9 ?8 L● IEC(International Electrotechnical Commission)：国际电工委员会
* H; O* Z6 K9 j  L. z9 o● FCC(Federal Communication Commission)：美国联邦通信委员会
, H# H+ d7 T6 d9 j3 W6 f8 |+ H● CISPR：国际无线电干扰特别委员会
! W% e& \' @* f" I8 X, r& G8 v● CE：字母“CE”是法文句子的缩写，意指欧盟● CCC(China Compulsory Certificate)：中国强制性产品认证制度，又称3C认证。

　　电磁兼容性(EMC)是指设备或系统在电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力，电磁兼容(EMC)包含电磁干扰(EMI)和电磁抗扰度(EMS)。其包含的测试项目如图1所示。

　　

        

　　图1 EMC测试项
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　　电磁干扰限制可分为两个基本应用范畴：
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/ F' |8 ?# w& |  ?& \7 d! T# e　　● A类：适用于商业或工业装置环境，相应限制较为轻松。
　　● B类：适用于家用或住宅装置，相应限制较为严格。
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　　B类限制约比A类限制低10dB，即发射振幅之比约为1:3(20×log(3)≈10dB)。市场销售的产品还需要满足一些重要的安规标准。在许多国家，电磁兼容标准和安规标准统一用一个区域认证标志来表示，如CE标志即欧洲认证标志，CCC标志即中国强制认证标志。该标志表示产品符合电磁兼容标准和安规标准。
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　　历史上普遍接受的国际电磁干扰标准是CISPR-22，美国的电磁干扰标准是FCC，CISPR-22与FCC有所不同，但一般来说如果电源符合CISPR-22标准，那么它也符合FCC标准。总之CISPR-22标准已经成为全世界都遵守的基本标准。汽车上的电磁干扰标准是CISPR-25，相对CISPR22来说CISPR-25标准限制值更低并且额外对FM频段做了很严的限制要求。具体传导测试限制要求如图2所示。

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　　图2 传导测试标准

　　如图3所示电磁干扰的辐射测试普遍采用天线接收法测试，相比于CISPR22来说CISPR25额外增加了150KHz ~ 30MHz的辐射测试，这部分测试频段覆盖了DCDC的工作频率范围，是辐射测试的难点。另外CISPR-25辐射测试采用1M法天线距离更近，测试接收的信号更强。
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　　图3 辐射测试标准
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　　对于设备来说DCDC开关电源是最常见的噪声源，而通常又不易受干扰，所以DCDC的EMC问题主要就是EMI问题。以Buck电源为例，dcdc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，其开关噪声不仅包含开关次和倍频频率段的噪声，另外其开关速度越低，高频噪声分量衰减越大。噪声分为差模噪声和共模噪声，差模噪声是LN线之间的电位差，共模噪声是待测零部件的LN线和参考地之间的电位差。DCDC电源EMI主要于电流和电压跳变，通过共模和差模的形式耦合到接收器上。

' z. {4 B1 m: D　　如图4所示是Buck开关电源的噪声产生和耦合路径，从传导路径来说开关节点产生的差模干扰通过输入电容滤波后会直接传到输入端，共模干扰通过开关节点对地的耦合再通过LISN端检测到。从辐射的路径来看主要是差模的功率电流回路产生的，当然共模干扰也会产生部分辐射干扰。因此在设计电路时减小功率开关电流回路对传导辐射干扰有很大的帮助。
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　　图4 DCDC噪声源及耦合路径

  w. V; Z* _5 j1 }2 m  _& m　　既然有了上面对EMI产生的原因分析，我们就可以按照如下几点对EMI进行优化：

　　● 输入端增加EMI滤波器
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/ h: T" f0 u8 m9 F: l* Z　　EMI滤波器可以抑制流经LISN的差模和共模电流，这在传导测试中尤其关键，根据对噪声的大小的衰减比例可以计算出EMI滤波器的参数大小。常见的EMI滤波器参数如图5所示。
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　　图5 常见EMI滤波器设计参数

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高频段是辐射测试的难点

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开关速度越低，高频噪声分量衰减越大

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差模的功率电流回路会产生干扰

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EMI滤波器可以抑制干扰