簡介

　　在多種市場產品所使用的快速開關電源轉換器中，電磁干擾 （EMI） 是個特別的問題。一臺能在一個系統中達到法規要求的轉換器不一定可以自動符合另一個系統的要求。此外，系統也可能需要 EMI 濾波措施來達成法規要求，但這可能占用大量的整體系統空間、體積和成本，因此了解適用于不同產品應用的標準至關重要。本文首先回顧開關轉換器中 EMI 的來源和類型，接著說明工業和汽車市場產品監管標準之間的差異。最后，本文展示 Diodes 公司使用的技術，使其 DC-DC 開關轉換器能夠符合嚴格的汽車標準。

　　開關轉換器中的 EMI 來源

　　現代電源供應器中的開關器具有非常快速的開關時間，這代表了電壓和電流波形中的上升沿和下降沿變化更快。這些急劇的邊緣變化會在高頻下產生大量能量，這是開關模式電源供應器中 EMI 的主要來源，這種高頻能量會導致電源供應器內的諧振槽產生振音。EMI 發射有兩種類型：傳導和輻射。傳導發射是在連接到電源轉換器的電線和線路上產生的。由于這種噪聲會被局限在電路中的特定端子或接頭，因此良好的電路板配置操作和濾波器設計，可以在設計過程相對早期時便達成傳導發射要求。然而，輻射發射的處理則更具挑戰性，PCB 上所有承載電流的組件都會輻射電磁場。電路板上的每條走線都是一個天線，每個銅質平面也都是一個諧振器；純正弦波或直流電壓以外的任何電壓，都會在整個信號頻譜上產生噪聲。即便經過精心設計，電源供應器設計人員也只有在系統經過測試后，才能了解輻射發射的危害有多大。可惜的是，輻射發射測試只能在設計完成后進行。濾波器可以通過衰減特定頻率下的信號強度來減輕 EMI。加裝金屬屏蔽和磁性屏蔽也有助于減輕部分輻射發射，而鐵氧體磁珠和其他類型濾波器則可以幫助減少 PCB 走線的傳導發射。雖然這些措施無法完全消除 EMI，但可以使其衰減到不干擾其他通訊或數字組件的程度。

　　傳導發射 EMI 標準

　　許多監管機構對裝備產生的傳導和輻射發射的容許程度均有所監管，以維持電磁兼容性 （EMC）。

　　消費性產品

　　多年來，在歐盟境內用于通訊和信息技術 （IT） 終端設備的電源供應器產品便符合著名的歐洲標準 EN 55022，該標準主要來自 CISPR 22 產品標準。 不過，CISPR 22/EN 55022 近期已合并至 CISPR 32/EN 55032。此新發射標準涵蓋多媒體設備，并已生效成為調和 EMC 規范標準。EN 55022/32 Class A 和 Class B 傳導發射限制，涵蓋 150kHz 至 30MHz 頻率范圍內的準峰值和平均信號偵測器。用于住宅環境中的設備必須符合 Class B 限制，所有其他設備則必須符合 Class A 限制。

　　工業

　　CISPR 11 是工業、科學和醫療 （ISM） 射頻 （RF） EMI 的國際產品標準，適用于各種設備，包括無線電力傳輸、充電設備、Wi-Fi 系統、電磁爐和電弧焊機。此外，部分工業終端設備還具備專用的系統級標準，以依據 CISPR 11 進行 EMC 測試。例如，IEC 61131-2 規定了工廠自動化和流程控制應用中廣泛使用的可程序邏輯控制器 （PLC） 發射要求。其他系統級標準包括用于速度可調式馬達驅動系統的 EMC 規范 IEC 61800-3，以及適用于實驗室設備的 IEC 61326-1。

　　汽車

　　對于汽車電子產品設計者而言，相關傳導發射測試明確規范于 CISPR 25 中。此國際標準適用于汽車零部件和模塊，使用一或兩套 5?H/50Ω 人工網絡 （取決于接地配置） 進行測量。該標準表示「車載接收器保護」不受特定頻段 （150kHz 至 108MHz） 頻率范圍內測量的傳導噪聲影響。這些頻率范圍分布在 AM 廣播、FM 廣播和移動服務頻段中，如圖 1 所示。CISPR 25 規范了峰值 （PK）、準峰值 （QP） 和平均 （AVG） 信號偵測器的傳導發射限制。

　　圖 1. CISPR 25 Class 5 傳導發射限制

　　表 1 顯示了 Class 5 的限制，為 CISPR 25 中最嚴格的要求。這些限制相當具有挑戰性，特別是 68MHz 至 108MHz 的 VHF 和 FM 頻段中的 18dBμV 平均值 （或 38dB?V 峰值） 限制，因為濾波器組件中的寄生效應會降低此類頻率下的 EMI 濾波器衰減。

　　表 1. 傳導 EMI 限制

　　表 2 顯示傳導發射適用標準摘要。CISPR 標準適用于歐盟的產品，而 FCC 則適用于美國的產品。

　　表 2. 傳導發射主要產品標準摘要

　　車用輻射發射 EMI 標準

　　CISPR 25 規范涵蓋車輛中的無線電接收標準，因此對各種無線電服務的頻段定義了相關限制。該標準包含使用車輛天線進行組件或模塊發射測量，以及整體車輛發射測試。圖 2 顯示汽車產業應用組件/模塊使用峰值 （PK） 和 AVG 偵測器的 Class 5 輻射發射限制。最低測量頻率針對 150kHz 至 300kHz 的歐洲長波 （LW） 廣播頻段，最高頻率為 2.5GHz （藍牙和 Wi-Fi 傳輸）。使用輸出阻抗為額定50Ω 的線性極化電場天線進行測量。CISPR 25 的輻射發射測試標準比 FCC 或 CISPR22 更嚴格，接收器放置在距離被測裝置 （DUT） 1m 位置，而 CISPR 22 則為 10m。

　　圖 2. 使用內襯吸波材料屏蔽圍體 （ALSE） 測試的 CISPR 25 Class 5 輻射限制

　　符合汽車規格的 DC-DC 降壓轉換器

　　AP64350Q 是一款符合汽車規格的 3.5A 同步降壓轉換器，具備 3.8V 至 40V 的寬廣輸入電壓范圍。該產品整合了 75mΩ 高側電源 MOSFET 和 45mΩ 低側電源 MOSFET，提供高效率的 DC-DC 降壓轉換功能；此外，本產品也精心設計了可降低 EMI 的功能，包括專有的閘極驅動器方案，可在不犧牲 MOSFET 導通和關斷時間的情況下抑制開關節點振音，以減少 MOSFET 開關引起的高頻輻射 EMI 噪聲。AP64350Q 亦采用頻率展頻 （FSS） 技術 （具有 ±6% 的開關頻率抖動），可避免發射的能量停留在任一頻率過久，由此降低 EMI。

　　AP64350Q 已進行 EMI 測試，確保符合 CISPR 25 Class 5 傳導和輻射發射限制。圖 3 顯示 500kHz 開關頻率下測試 AP64350Q 的濾波階段。

　　圖 3. EMI 濾波階段示意圖

　　測試期間較高的負載會導致更多的 EMI，但此為意料之中。即便使用這些階段濾波器，如果 DUT 使用屏蔽 （Shielding） 來抑制所有產生的噪聲，但也只能有時能滿足 EMI 的限制。屏蔽層必須連接至 0V 以提供最佳的 EMI 效能。通過接地屏蔽可以使 AP64350Q 符合所有 CISPR 25 Class 5 的限制，如同表 3 所示。雖然使用共模（Common Mode） 電感器有助于提高 EMI 效能，但因為大多數噪聲都是以差分形式產生的，因此效果極小。

　　表 3. AP64350Q 降壓 DC-DC 轉換器的傳導和輻射發射測試結果

　　結論

　　傳導和輻射 EMI 與所有電子組件 （尤其是開關轉換器） 都有關系，因此主管部門通過制定相關標準來控制其在不同市場和地區的影響。CISPR 25 Class 5 規定了汽車產業應用產品中最嚴格的標準，即便是設計良好的開關轉換器，如果未采用多階段濾波和屏蔽技術，也可能無法滿足此標準。Diodes 公司的 AP64350Q 是一款符合汽車產業應用 CISPR 25 Class 5 限制的降壓轉換器。

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