EMI特性

EMI特性

应用笔记 00-08-02， 版本 04-6/25/02

1.0 引言

电磁兼容性（EMC）设计是电子系统设计师面临的最大挑战之一。几乎所有的电子设备都要求满足一项或多项系统级或产品级的EMC标准。在谈到EMC的时候，供电系统（亦即本文所涉及的直流/直流电源模块）。是最具挑战性的子系统之一。现在的直流/直流转换器产品都是由一级或多级开关转换组成，包括电压控制和电流控制型，这些开关脉冲信号可以产生宽范围的噪声频谱，从而导致电磁干扰 (EMI)。 

该应用笔记综述了电磁干扰 (EMI) 以及相应的标准和规范，探讨这些标准和规范与直流/直流电源模块的关系，并给出了推荐的外接滤波器解决方案，以及布局布线和接地设计方面的一些建议。

系统EMI兼容设计的第一步需要明确各个标准和规范并不直接适用于直流/直流电源模块，而是针对整个系统。尽管如此，理解并使电源模块产生的电磁干扰最小化是系统EMI兼容性设计的一个良好开始。

2.0 概述

电磁干扰（通常称为EMI）指的是不同的电子设备之间的互相影响，通常是负面影响。半导体器件和大规模集成电路技术的飞  速进展已经大大缩小了电子设备的尺寸，同时也大大增加了不同系统和子系统之间产生电磁干扰的概率。当今的电子工程必须确保他们的产品能够满足在高EMI环境下正常稳定工作的要求。要求工程师针对所有应用环境以及可能的终端用户配置下对其新产品进行测试是不切实际的，因此，需要制定严格的防辐射干扰规范。在美国，联邦通信委员会（FCC）负责管理无线和有线通信业务，其中，控制电磁辐射也是其职责的一部分。所允许的电磁辐射量要求请参见FCC规范和规则第15部分。这些规则适用于几乎所有的电子设备。这些规则给出在频率范围为30至1000 MHz内所允许的最大辐射干扰量级，以及在频率范围为0.450至30 MHz内交流供电回路上所允许的最大传导辐射量级。

辐射干扰

辐射干扰主要是指是通过空中耦合辐射而产生的干扰。FCC认为，频率在30 MHz以下时，产生EMI的主要原因是射频流流过交流线路而对其周边设备产生的辐射（传导干扰）。

每秒产生1万次以上脉冲(>10 kHz)的所有电子设备均受这些规范约束。根据FCC规定，电子设备可分为两大类：

●  Class A：标明用于商业、工业或商业环境中的电子设备 [2]。

●  Class B：标明用于住宅环境中（尽管其仍然用于商业、工业或商业环境等用途）的电子设备[2]。 

B类设备通常可能安装在无线电设备和电视接收器等旁边，因此，针对这些设备的电磁干扰限值比A类设备的要求更高。正如前文所述，终端产品制造商有责任使其设备满足相关规则要求。

表1和表2给出了Class A 和Class B针对辐射干扰所规定的不同限值，需要注意只有在距离相等的情况下这两组限值才有可比性。Class A设备的限值可以通过采用1/r外推法在3米的距离上求出，其中r是干扰源和接收设备之间的距离。在一般情况下，Class B设备的限值要严格的多，场强约为Class A 的1/3（约10dB），如图1所示。

表1：FCC规定的 Class A设备辐射限值[2]。

表2：FCC规定的Class A设备辐射限值[2]。

图1：FCC针对3米距离内辐射干扰限值要求[1]

传导干扰

表3给出了Class A和Class B设备的传导干扰限值。传导干扰采用50-ohm/50-μH线路阻抗稳定网络（LISN）来测量电源输入线路上的共模电压（+ Vin对地电压和- Vin对地电压）。

表3：FCC传导干扰限值[2]。

标准

国际无线电干扰特别委员会（CISPR）负责协调国际上的各种标准组织。 CISPR没有制定标准的权力，但其标准已被大多数欧洲国家所采用。图2所示为CISPR所推荐的辐射干扰标准与FCC限值之间的比较。FCC限值是在10米距离范围内测得并与之比较的[1]。图3所示为类似的传导干扰标准之间的比较。图2和图3中所示限值是以μV为单位的，电磁干扰水平可以很容易地使用下式进行计算：

电磁干扰量=20 log(噪声电压/1 μV) 

图2：在10米距离范围内辐射干扰限值对比[1]。

图3：传导干扰限值对比[1]。

FCC和CISPR还规定了家用电子设备和系统的电磁干扰敏感度辐射限值。至目前为止，FCC还没有规定电子设备的敏感度要求，而是依靠行业自律来控制。欧洲国家均遵守CISPR制定的标准。在欧洲销售的任何产品都必须满足这些要求。YOTTA所有电源模块产品的测试结果均满足IEC PUBL 1000-4-3限值要求。 IEC 1000-4-3限值是分别在3V/m和10 V/m的场强条件下进行测试的。实际结果证明大约有1％的测试时间内场强超过2V/m[1]。

有时我们还会提到另一个标准EN300 386-2。该标准仅涉及电信设备，且适用于交流电源或直流电源总线设备。对于直流输入电源系统，EN300 386-2标准对Class A限值的要求与CISPR 相同。然而，EN300 386-2标准还将要求扩展到了较低频率段（20 kHz - 150 kHz）。YOTTA所有电源模块产品的开关频率都在150 kHz以上，。因此，典型的电源模块不会影响系统的低频辐射水平。

3.0 电源模块的电磁兼容性

解决EMI问题的第一步是要透彻理解相关标准的要求及其与系统之间的关系。重申一下，电源模块被认为是现代电信或计算机设备的重要部件之一，但对单体电源模块的传导限值或辐射限值没有要求，这些标准要求仅适用于系统。终端产品必须满足一系列传导和辐射限值标准，具体要求取决于产品用途和以这些设备销往的国家。由于电磁干扰(EMI)是一系统级的要求，所以要求大功率模块单体同时满足的传导限值和辐射限值不切合实际，同时也是不经济的。在没有采取相应措施改进系统设计以限制噪声时，YOTTA公司以及其他制造商所供应的大功率模块将不可能满足各标准所规定的传导限值和辐射限值。

3.1 传导电磁干扰

大多数电子设备只有一个电源接口。传导干扰标准正适用于这样的接口。在大多数应用中，电源模块常常通过电磁干扰（EMI）滤波器、断路器、熔断器、瞬态保护器件、直流/直流转换器以及交流/直流电源转换器与主电源隔离开来。因此，在大多数应用中，电源模块产生的传导干扰不会直接出现在电源总线上。此时即使系统所选用的电源模块单体不满足EMC标准，该系统也有可能会满足传导电磁干扰的限值要求，大多数系统仅在电源总线输入端增加一个EMI滤波器就可以满足EMC标准。

交流/直流或直流/直流转换器本质上都会产生大量的传导噪声和辐射噪声。此外，如果这些噪音在干扰源头附近没有得到抑制，就会很容易耦合到系统的其他部分，从而大大增加问题的复杂性。因此，建议在每个电源模块附近采取抑制电磁干扰（EMI）的措施。   

图3 差模/共模电流和电压的定义

为了更好地理解传导干扰的来源，通常将其分为差模（对称）噪声或共模（非对称）噪声。共模（CM）和差模（DM）电压和电流的定义如图3所示。

直流/直流转换器自身工作会产生差模电流和差模电压。YOTTA公司在其所有的电源模块上都增加了输入滤波器，以减少转换器产生的差模（DM）噪音。因为没有直接的耦合机制，模块产生的共模噪声不能直接进行测量。共模电流的大小与电源模块和机壳接地之间的有效寄生电容有着直接的关系。YOTTA电源模块采用开架设计，没有基板及其与机壳接地之间的连接。去掉基板可大大减小模块和机壳接地之间的有效寄生电容。因此与传统的电源模块相比，开架式电源模块可以明显减少共模电流。

图4和图5所示为在共模辐射耦合机制方面YOTTA电源模块与传统直流/直流电源模块之间的对比。两个图都给出直流/直流模块中共模辐射问题的一个简单示意。众所周知，电源模块和机壳接地之间有多种不同的耦合路径。同时，作为电源设计师，我们认识到半导体器件加上电源变压器是电源模块内产生共模电压和共模电流的主要源。图4所示为传统大功率直流/直流电源模块的实现方式。电容Cs1代表基板和机壳接地之间的有效寄生电容。电容Cs1值通常很小，与基板的尺寸、基板与机壳接地的距离、机壳接地的大小和形状直接相关。在许多大功率模块中，基板直接与机壳接地相连使电容Cs1短路。电容Cs2是半导体器件和基板之间的寄生电容。为了最大限度地提高模块的散热性能，在传统的解决方案中，通常会在半导体器件散热外壳与基板之间增加一层超薄的导热垫而将其分隔开来，这种结构方式在半导体器件和基板之间产生大量的寄生电容。电容Cs2提供一条简单的耦合路径使共模电流流入机壳接地端，当底板与机壳接地连接时尤其如此。

Cs1——底板和机壳之间的寄生电容

 Cs2——半导体和底板之间的寄生电容

 图4：传统大功率直流/直流电源模块物理设计

图5所示为YOTTA电源模块的物理解决方案。首选的是没有基板（Cs1 = 0）的解决方案。电容Cs2是半导体和机壳接地之间的有效寄生电容。与传统模块物理实现方式相比，该电容容量较小，可以有效减少共模辐射。

Cs2——半导体与机壳接地之间的寄生电容

图5：典型直流/直流电源模块的物理设计

YOTTA同时为所有的开架式模块提供增加基板的选择（如图6所示）。在该设计中，半导体器件和基板之间有效寄生电容Cs2比传统设计明显减小。而在传统的设计中，由于半导体器件的金属与基板之间的距离很近，导致Cs2增大进而来增加耦合共模电流。因此，YOTTA直流/直流电源模块所产生的共模辐射干扰也相应降低。

Cs1——基板和机壳之间的寄生电容

 Cs2——半导体和基板之间的寄生电容

图6：YOTTA电源模块（基板可选）物理设计

表4所列为部分YOTTA电源模块与电磁兼容性（EMC）相关的一些特征参数。每个模块的详细数据可以查看规格书获得。表中所列的开关频率可以帮助了解电源模块所产生的噪声频谱，并有助于外接滤波器的设计。重要的是注意，所有模块的开关频率在全温度范围内公差为+/- 17％。该表还给出了输入滤波器的相关参数，大多数模块的输入端都配有一个PI型滤波器。C1是与输入引脚直接相连的电容。C2是PI型滤波器的第二级电容。在YOTTA所有电源模块中，电感均配置于+ Vin电路中。

表4：电源模块的电磁兼容性（EMC）特征值。具体模块的详细信息，请查阅规格书。

图7和图8所示为外接滤波器及满载工作条件下测试1/4砖25A和1/2砖50A ，3.3V电源模块产生的传导干扰幅值。模块是在CISPR标准认证的第三方实验室（达拉斯KTL实验室）中进行测试的。在测试过程中，模块采用纯阻性负载避免任何在 “动态负载”和模块之间互相产生干扰的可能性。被测模块安装在一块四层测试板上，测试板的底层作为机壳接地面。测试结果为其干扰峰值与Class B（CISPR）平均限值之间的比较。图9所示为两个模块的外部滤波器方案。所推荐的滤波器可以使电源模块满足CISPR Class B要求。增加电容器CYS1和CYS2是为了使输出电缆在5至30兆赫频率范围内产生的电磁干扰最小。如果输出供电总线长度相对较短的话这两个电容可以省略。

图7a：使用图9a[6]所示电磁干扰（EMI）滤波器的1/4砖25A模块在150kHz至600kHz范围内产生的传导干扰。显示的数据与正极输入端测得的干扰量一致。所示的50dBμV限值作为参考线。

图7b：使用图9a[6]所示电磁干扰（EMI）滤波器的1/4砖25A模块在500kHz至30kHz范围内产生的传导干扰。显示的数据与正极输入端测得的干扰量一致。所示的50dBμV限值作为参考线。

图8a：使用图9b[6]所示电磁干扰（EMI）滤波器的1/2砖50A模块在150kHz至600kHz范围内产生的传导干扰。显示的数据与正极输入端测得的干扰量一致。所示的60dBμV限值作为参考线。

图8b：使用图9b[6]所示电磁干扰（EMI）滤波器的1/2砖50A模块在500kHz至30kHz范围内产生的传导干扰。显示的数据与正极输入端测得的干扰量一致。所示的60dBμV限值作为参考线。

滤波器模型# 4

CY1 = CY2 = CYS1 =CYS2 = 2700 pF /2000V ，AVX陶瓷电容

CD1 = CD2 = 3 x 1 µF /100V， AVX陶瓷电容

L1 =电感（Pulse #P0422）

CE = 33μF/ 100V电解电容。请参阅“输入系统不稳定性”应用笔记了解详细内容。

Iout = 25A

图9a：PQ48033QGA25NNS（1/4砖模块3.3V/25A）电源模块外接滤波器方案。

滤波器模型# 5

CY1 = CY2 = CYS1 =CYS2 = 2700 pF /2000V， AVX陶瓷电容

CD1 = CD2 = CD3 = 2 x 1 µF /100V， AVX陶瓷电容

L1 =电感（Pulse #P0353）

CE = 33μF/ 100V电解电容。

Iout = 50A

图9b：PQ48033HTA50NNS（1/2砖、3.3V/50A）电源模块外接滤波器方案。

3.2 辐射电磁干扰

同样重要的是记住，只有系统才要求满足规定的相关标准。在30MHz至1000MHz范围内产生的辐射干扰是非常重要的，在这个频率范围内，除电源和接地面外，金属外壳的屏蔽作用对辐射干扰具有显著的衰减作用。因此大多数物理系统解决方案都将提供足够的衰减功能，可以使系统相对容易地满足辐射干扰标准。要求典型直流/直流电源模块单体满足辐射干扰(EMC)标准同样是不现实，也是不经济的。

没有开口或缝隙的金属外壳是屏蔽辐射噪声的理想解决方案，但并不是一个切合实际的方案。在设计防辐射干扰时，重要的是尽量减小机壳的缝隙尺寸。除了与干扰源相关的位置外，任何其他缝隙的尺寸对辐射干扰(EMI)来说也都是极其重要的。此外，机壳中两片以上金属件相接触的位置都需要进行电气连接，以保持屏蔽的完整性。

同样，根据干扰源的不同，辐射干扰也分为差模和共模两种。差模噪声主要是由小型环路天线产生的。环路天线可以定义为一个完整电流回路包围的区域。该区域场强大小与电流的大小、封闭区域面积和振荡频率的平方成正比。减少任何电流回路包围的区域面积，就可以轻易地降低差模噪声。YOTTA所有的电源模块的布局都经过了严格的设计，可以有效减少差模辐射量。

另一方面，共模辐射更难以控制；并且其通常决定了产品的整体辐射干扰情况。共模辐射通常由输入电缆和输出电缆辐射出去，输入和输出电源总线都是良好的电磁干扰（EMI）噪声发射器，辐射大小取决于电缆的长度。输入和输出电缆所起的作用就像电压驱动的单极天线。在靠近电源模块端的输入输出总线上增加接机壳大地的退耦陶瓷电容可以有效抑制该励磁电压。交流供电系统中，在系统任何一点与机壳接地端增加加电容的时候，应特别注意不得超过系统漏电流的要求（这是一项安规要求）。

作为参考，表5给出了1/4砖3.3V/25A模块满载工作时产生的辐射干扰水平。该模块已外接图9a所示的滤波器方案，同时仍采用纯阻性负载进行测试。上表所示为辐射干扰测试峰值与CISPR所建议的 Class B平均限值之间的比较，从这些数据可以看出，模块加外接滤波器的测试结果未能满足CISPR  Class B标准，但仅差几个分贝。该模块是在达拉斯KTL实验室的室外独立测试设备中进行测试的。

本文给出的各个模块的传导干扰值和辐射干扰值仅供参考。其干扰的大小很大程度上取决于被测系统的物理设计和接地方式。

表5：采用图9a所示外接滤波器方案的1/4砖3.3V/25A模块辐射干扰测试结果

4.0 布局和接地方式

一般来说，模块及系统的布局和接地方式需要重点关注，可以有效降低传导和辐射干扰水平。下面给出在布局以及接地方式上的几点建议：

  1. 在直流电源输出总线上放置低频钽电容和高频陶瓷电容，至少有一个电容要尽量靠近电源模块的输出端放置。

  2. 在直流电源输入总线上放置低频电解电容和高频陶瓷电容，至少有一个电容要尽量靠近电源模块的输入端。

  3. 尽量缩短滤波和退耦器件引脚布线。尽量减小大电流回路路径。

  4. 电源总线及地平面布线尽量宽，以最大限度减小寄生电感。

  5. 在输入和输出地平面之间放置一颗Y电容，使所有共模噪声返回到输入接地端。