有效降低傳導輻射干擾的技巧

一直以來，設計中的電磁干擾（EMI）問題十分令人頭疼，尤其是在汽車領域。為了盡可能的減小電磁干擾，設計人員通常會在設計原理圖和繪制布局時，通過降低高di/dt的環路面積以及開關轉換速率來減小噪聲源。
但有時無論布局和原理圖的設計多么謹慎，仍然無法將傳導EMI降低到所需的水平。這是因為噪聲不僅取決于電路寄生參數，還與電流強度有關。另外，開關打開和關閉的動作會產生不連續的電流，這些不連續電流會在輸入電容上產生電壓紋波，從而增加EMI。因此，有必要采用一些其他方法來提高傳導EMI的性能。本文主要討論的是引入輸入濾波器來濾除噪聲，或增加屏蔽罩來鎖住噪聲。

圖1 EMI濾波器示意簡圖

圖1是一個簡化的EMI濾波器，包括共模（CM）濾波器和差模（DM）濾波器。通常，DM濾波器主要用于濾除小于30MHz的噪聲（DM噪聲），CM濾波器主要用于濾除30MHz至100MHz的噪聲（CM噪聲）。但其實這兩個濾波器對于整個頻段的EMI噪聲都有一定的抑制作用。圖2顯示了一個不帶濾波器的輸入引線噪聲，包括正向噪聲和負向噪聲，并標注了這些噪聲的峰值水平和平均水平。其中，該被測系統主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1輸出5V/5A，并給后續芯片TPS65263QRHBRQ1供電，同時輸出1.5V/3A，3.3V/2A以及1.8V/2A。這兩個芯片都工作在2.2MHz的開關頻率下。另外，圖中顯示的傳導EMI標準是CISPR25 Class 5（C5）。有關該系統的更多信息，請查閱應用筆記SNVA810。

圖2 C5標準下的噪聲特性（無濾波器）

圖3顯示了增加一個DM濾波器后的EMI結果。從圖中可以看出，DM濾波器衰減了中頻段DM噪聲（2MHz至30MHz）近35dBμV/ m。此外高頻段噪聲（30MHz至100MHz）也有所降低，但仍超過限制水平。這主要是因為DM濾波器對于高頻段CM噪聲的濾除能力有限。

圖3 C5標準下的噪聲特性（帶DM濾波器）

圖4顯示了增加CM和DM濾波器后的噪聲特性。與圖3相比，CM濾波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪聲。并且EMI性能也通過了CISPR25 C5標準。

圖4 C5標準下的噪聲特性（帶CM和DM濾波器）

圖5顯示了不同布局下帶CM和DM濾波器的噪聲特性，其中濾波器與圖4相同。但與圖4相比，整個頻段的噪聲增加了大約10dBμV/ m，高頻噪聲甚至還超出CISPR25 C5標準的平均值。

圖5 C5標準下的噪聲特性（帶CM和DM濾波器，不同布局）

圖4和圖5之間噪聲結果的不同主要是由于PCB布線差異所致，如圖6所示。圖5的布線中（圖6的右側），大面積覆銅（GND）包圍著DM濾波器，并和Vin走線形成了一些寄生電容。這些寄生電容為高頻信號旁路濾波器提供了有效的低阻抗路徑。因此，為了最大限度地提高濾波器的性能，需要移除濾波器周圍所有的覆銅，如圖6左側的布線。

圖6 不同的PCB布線

除了增加濾波器外，另一種優化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。這是因為連接著GND的金屬屏蔽罩可以阻止噪聲向外輻射。圖7推薦了一種屏蔽罩的擺放方法。該屏蔽罩恰好覆蓋了板上所有的元器件。圖8顯示了增加濾波器和屏蔽罩之后的EMI結果。如圖所示，整個頻段的噪聲幾乎都被屏蔽罩消除，EMI性能非常好。這主要是因為等效為天線的長輸入引線會耦合大量輻射噪聲，而屏蔽罩恰好隔絕了它們。在本設計中，中頻噪聲也會采用這種方式耦合到輸入引線上。

圖7 帶屏蔽罩的PCB 3D模型

圖8 C5標準下的噪聲特性（帶CM，DM濾波器以及屏蔽罩）

圖9也顯示了帶濾波器和屏蔽罩的噪聲特性。與圖8不同的是，圖9中屏蔽罩是一個金屬盒，它包裹了整個電路板，且只有輸入引線裸露在外面。雖然有這個屏蔽罩，但一些輻射噪聲仍能繞過EMI濾波器并耦合到PCB上的電源線，這將會導致比圖8更差的噪聲特性。有趣的是圖4、圖8和圖9中（相同的布局布線）高頻帶的噪聲特性幾乎相同。這是因為在增加EMI濾波器后，能耦合到輸入線上的高頻段輻射噪聲幾乎已經不存在了。

圖9 C5標準下的噪聲特性（帶CM，DM濾波器以及屏蔽金屬盒）

綜合來說，增加EMI濾波器或者屏蔽罩都能有效的改善EMI性能。但是與此同時，濾波器的布局布線以及屏蔽罩的擺放位置需要仔細斟酌。