EMI：符合 CISPR 22 标准的电源方案

提前规划系统的EMI合规性对于项目成功至关重要。精心规划的设计应使用正确的滤波器、低EMIPMIC/元件以及/或者低EMI电源模块，再加上良好的PCB布局和屏蔽技术，这样将能够保证大概率一次性成功。

什么是EMI噪声？为什么必须小心谨慎？

当电子设备连接到或靠近另一个产生EMI的电子设备，或者与之共用电源时，其工作就会受到EMI的干扰。EMI可以是传导性或辐射性。EMI问题会妨碍电子设备与相邻的设备一起工作。我们日常生活中可能遭遇的常见EMI例子有：

bull低空飞行的飞行器干扰收音机或电视的音频/视频信号。

bull发射机造成当地电视台不能显示其画面。最坏情况下，画面会全部消失，或者呈现出某种图像模式。

bull手机与通信塔握手以处理呼叫时引起的干扰(所以航班要求乘客在飞行期间关闭手机)。

bull微波炉发出的干扰会影响附近的WiFi信号。

随着电子设备用量的大幅增长，电磁兼容(EMC)问题已成为一项重要课题。因此，诞生了标准化组织，以确保电子设备即使在EMI环境下也具备正常性能。现在，有了现代化电子设备，几乎能够在任何电子设备附近正常地使用手机及其他无线设备，几乎没有影响或影响非常小。为了实现上述目的，需要保证设备不发射有害辐射，同时也使设备不易受射频辐射的影响。

EMI设计要求：

CISPR22(欧洲通常称为EN55022)EMI规范将设备、装置和电器分为两类：

B类：设计用于家庭环境且满足CISPR22标准B类发射要求的设备、装置和电器。

A类：不满足CISPR22标准B类发射要求但符合较宽松的CISPR22标准A类发射要求的设备、装置和电器。A类设备应具有以下警告：本产品为A类设备。在家庭环境中，本产品可能会引起无线电干扰，此时用户可能需要采取适当的措施。

EMI测试包括两部分：传导和辐射。传导发射测试在150kHz至30MHz频率范围进行。这是传导至电源的交流电流，采用两种方法进行测量：准峰值和平均值，各自具有其自身的限值。辐射发射测试在较高的30MHz至1GHz射频范围进行。这是来自于被测设备(DUT)的辐射磁场。测试范围上限1GHz适用于内部振荡频率最高为108MHz的DUT。该范围上限在内部振荡器高达500MHz时扩展到2GHz，内部振荡器频率高达1GHz时扩展到5GHz，内部振荡器频率高达1GHz时扩展到6GHz。

以下为CISPR22规范的图示：Y轴为测试EMI的大小，单位为dBuV。X轴为测试频率，单位为Hz。

图1：CISPR22标准B类传导EMI规范。

图2：CISPR22标准A类传导EMI规范。

图3：CISPR22标准B类辐射EMI规范。

图4：CISPR22标准A类辐射EMI规范。

开关电源中的EMI噪声源

开关电源会产生电磁能和噪声，也受外部干扰源的电磁噪声影响。开关电源产生的噪声可分为传导和辐射两类。传导发射的形式可以是电压或电流，其各自又可进一步分为共模或差模。此外，连接线的有限阻抗造成电压传导，进而引起电流传导，反之亦然；差模传导引起共模传导，反之亦然。

我们接下来讨论开关电源中的噪声源。这是一个buck调节器原理简图及其工作电路波形：

图5：Buck调节器原理简图及其工作波形传导EMI。

传导EMI

如图5所示，buck调节器的输入电流II为脉冲波形，这是主要的传导源，是反灌回电源VS的差分EMI。传导发射主要受转换器输入处快速变化波形的影响(di/dt)。传导发射的值是在转换器输入处作为电压VS测量的，采用线路阻抗稳定网络(LISN)。输入电容CI的功能是滤除交流(脉冲)分量。网络电流IS是II与ICI之差。我们希望IS为直流或者尽量平滑。如果CI为容值无限的理想电容器，将使VI保持恒定，并有效滤除I1的全部交流分量，保留来自于电源VS的恒定(直流)电流，以及保证源阻抗RS上的直流压降为恒定值。在这种情况下，由于IS为直流电流，传导EMI将为零。实际应用中，我们在输入源和转换器之间使用pi滤波器，使传导EMI在调节限值范围之内。

传导发射给固定系统带来的问题通常大于便携式系统。由于便携式设备使用电池工作，其负载和源没有外部连接可供传导发射。

辐射EMI

辐射EMI为快速变化的磁场，具有30MHz及以上的高频成分。磁场是由电路的电流环路产生的。如果不能正确滤除或屏蔽这种磁场的变化，这种变化就会耦合到其他邻近电路和/或设备，引起辐射EMI效应。

图6：Buck调节器原理简图及其快速di/dt电流环路。

图6所示为buck转换器及其快速di/dt电路环路I1和I2。电流环路I1在导通期间进行传导，S1导通，S2关断；电流环路I2在关断期间进行传导，S1关断，S2导通。电流环路I1和I2的脉动性质造成磁场变化，场强与电流幅值及传导环路的面积成比例。快速di/dt电流沿产生高频谐波EMI，且在规定的辐射范围之内。使此类电流环路的面积尽量小，将能够最大程度降低场强。放慢这些信号沿将降低开关调节器的高频谐波成分，但较慢的跳变会因为浪费能源而影响调节器效率。我们接下来讨论能够最大程度减小EMI辐射且不影响效率的途径。

图7：电流环路产生的磁场。

电压节点LX(有些厂商称之为SW或其他名称)为矩形波(暂时忽略寄生振荡)，连接到电感。LX的快速dv/dt电压非连续信号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。最大程度降低输出电感的寄生电容以缓解噪声耦合问题非常重要。LX也具有高频寄生振荡。使用从LX到GND的RC缓冲网络有助于减小这种振荡。

以上所述的EMI噪声源的原理也同样适用于其他开关转换器结构。但噪声严重程度取决于具体结构的电流和电压波形。例如，工作在连续传导模式的boost转换器的输入电流比buck转换器的输入电流更连续，所以其输入处的传导EMI较小。

采取亡羊补牢的方法修正电源系统的EMI问题实际上非常困难、耗费时间且代价昂贵。预先设计和规划EMI合规性对于项目成功至关重要。常见的EMI抑制技术有电源滤波、电源设计、正确的PCB布局以及屏蔽。

EMI电源滤波设计

为降低来自电源转换器的传导发射，在输入源和电源转换器之间使用pi滤波器。选择滤波器元件的设计步骤如下：

确定输入阻抗RIN：最差情况下，buck转换器的闭环输入阻抗在所有频率下均为RIN=RO/D2，其中RO为输出负载，D为工作占空比。转换器工作在最小输入电压时，输入阻抗最小。

例：以Maxim的喜马拉雅SiP电源模块MAXM17575为例，器件采用4.5-60Vin、0.9-12Vout，提供最大1.5A电流。以MAXM17575评估板为例，最小输入电压为7.5V。输出负载为RO=Vo/Io=5V/1.5A=3.3Ω。最大工作占空比为D=VO/VINmin=5V/7.5V=0.66。所以，最低可能输入阻抗为RIN=RO/D2=3.3Ω/0.662=7.6Ω。

按照输出阻抗比RIN小10db或更小来设计EMI滤波器：增加输入滤波器会影响DC-DC转换器的性能。为最大程度减小这种影响，在最高达转换器穿越频率的所有频率下，滤波器的输出阻抗必须小于电源转换器的输入阻抗。

图8.传导EMI输入滤波器，插入在输入和电源模块之间。

LC滤波器在谐振频率下的输出阻抗(最高值)为：

我们在设计中考虑滤波器的有效阻抗比buck转换器的输入阻抗小10dB，大约等于输入阻抗的三分之一。在MAXM17575的例子中，要求ZoRIN/3=7.6/3=2.5Ω，适用于MAXM17575电路穿越频率(45kHz)以下的所有频率。

PCB布局最佳实践

PCB布局对EMI合规性至关重要。糟糕的PCB布局会彻底破坏设计完美的电源转换器。以下为好的PCB布局实践，利用上例中相同的buck转换器最大程度减小EMI噪声源：

最大程度减小高di/dt电流环路：将LO、CO和S2正确布置在一起，最大程度减小I2电流环路。然后，使这一组元件靠近S1和C1，最大程度减小I1电流环路。使用buck调节器IC(即集成功率开关S1和S2的buck控制器)时，选择具有好的引脚排列从而支持这种最小化的IC非常重要。相同道理也适用于使用电源模块的情况。

图9：Buck转换器的高di/dt电流环路。

使用法拉第屏蔽：以英国科学家迈克尔bull法拉第的名字命名的法拉第屏蔽(或法拉第笼)是用于阻隔电磁场的一种外壳。电源系统中实施法拉第屏蔽的方法通常有两种：

a.由导电材料(例如铜)制成的笼子，将整个电源系统或设备笼罩起来。电磁场维持在笼子内部。由于笼子的材料成本和附加装配劳力，这种方法一般成本较高。

b.PCB的顶层和底层布局带有屏蔽接地区域，利用一个过孔将其连接起来，以模拟法拉第笼。所有高di/dt环路布置在PCB的内层，所以法拉第笼就能够屏蔽电磁场，防止向外辐射。该方法成本较低，通常足以抑制EMI。图10为该技术的示意图。

图10：多层PCB板的法拉第屏蔽。

实施这些PCB布局的最佳实践提供了EMI合规性的合理途径，不会因为需要减慢开关信号沿而牺牲电源转换器效率。

现在，我们以Maxim的喜马拉雅MAX17502宽输入范围IC为例，器件工作在4.5-60Vin、0.9-54Vout，提供1A负载电流。以下为MAX17502EMI评估板PCB的布局，采用了法拉第屏蔽技术(b)。图11a所示为顶层和底层，用作法拉第屏蔽；图11b所示为内部第二层和第三层，用于布线。这里的第二层用作额外屏蔽，也可用于布线。该布局中，高di/dt电流环路I1和I2布置在第三层，被完整笼罩在法拉第屏蔽中。

图11a：用作法拉第屏蔽的顶层和底层。

图11b：第二和第三(内)层，高di/dt环路布置在第三层。

以下为MAX17502EMI评估板的EMI测试结果，以非常好的裕量通过了CISPR22标准B类要求。

图12：MAX17502EMI评估板传导EMI测试结果。左：准峰值；右：平均值。

图13：MAX17502EMI评估板辐射EMI测试结果。

低EMI功率元件

输出电感的磁场也会产生辐射，引起EMI问题。使用低EMI电感可降低辐射的EMI。建议使用屏蔽电感。这种电感具有磁场屏蔽，被约束在电感结构内部。避免使用磁能自由辐射的电感类型。采用屏蔽电感以及实施良好PCB布局实践的电源模块将呈现良好的EMI性能。

低EMI电源稳压器和模块

Maxim的喜马拉雅稳压器和电源模块家族采用低EMI功率电感和良好的PCB布局实践，提供固有低EMI电源方案。使用喜马拉雅方案意味着您无需担心合规性，与市场上的其他单纯开关形成鲜明对比。Maxim的IC、模块以及示例参考布局已经完成了全部工作，您能够以最优成本通过CISPR22(EN55022)标准要求。以下为MAXM17575例子的EMI测试结果以及输入EMI滤波器信息：

EMI滤波器配置传导EMI测试

图14：用于传导EMI试验的MAXM17575评估板EMI滤波器配置。

图15：MAXM17575评估板传导EMI测试结果。蓝色：准峰值；绿色：平均值

EMI滤波器配置辐射EMI测试

图16：用于辐射EMI试验的MAXM17575评估板EMI滤波器配置。

MAXM17575本质上具有极低的辐射EMI。对于辐射测试，传导EMI测试中所示的输入滤波器不需要也没有使用。使用输入滤波器能够为辐射测试提供更大的裕量。

图17：MAXM17575评估板辐射EMI测试结果。

总结

提前规划系统的EMI合规性对于项目成功至关重要。本文讨论了最大程度降低EMI的常见技术，还提供关于电源滤波设计、良好PCB布局、屏蔽实践的指南以及实践示例。精心规划的设计应使用正确的滤波器、低EMIPMIC/元件以及/或者低EMI电源模块，再加上良好的PCB布局和屏蔽技术，这样将能够保证大概率一次性成功。