简介

　　在多种市场产品所使用的快速开关电源转换器中，电磁干扰 （EMI） 是个特别的问题。一台能在一个系统中达到法规要求的转换器不一定可以自动符合另一个系统的要求。此外，系统也可能需要 EMI 滤波措施来达成法规要求，但这可能占用大量的整体系统空间、体积和成本，因此了解适用于不同产品应用的标准至关重要。本文首先回顾开关转换器中 EMI 的来源和类型，接着说明工业和汽车市场产品监管标准之间的差异。最后，本文展示 Diodes 公司使用的技术，使其 DC-DC 开关转换器能够符合严格的汽车标准。

　　开关转换器中的 EMI 来源

　　现代电源供应器中的开关器具有非常快速的开关时间，这代表了电压和电流波形中的上升沿和下降沿变化更快。这些急剧的边缘变化会在高频下产生大量能量，这是开关模式电源供应器中 EMI 的主要来源，这种高频能量会导致电源供应器内的谐振槽产生振音。EMI 发射有两种类型：传导和辐射。传导发射是在连接到电源转换器的电线和线路上产生的。由于这种噪声会被局限在电路中的特定端子或接头，因此良好的电路板配置操作和滤波器设计，可以在设计过程相对早期时便达成传导发射要求。然而，辐射发射的处理则更具挑战性，PCB 上所有承载电流的组件都会辐射电磁场。电路板上的每条走线都是一个天线，每个铜质平面也都是一个谐振器；纯正弦波或直流电压以外的任何电压，都会在整个信号频谱上产生噪声。即便经过精心设计，电源供应器设计人员也只有在系统经过测试后，才能了解辐射发射的危害有多大。可惜的是，辐射发射测试只能在设计完成后进行。滤波器可以通过衰减特定频率下的信号强度来减轻 EMI。加装金属屏蔽和磁性屏蔽也有助于减轻部分辐射发射，而铁氧体磁珠和其他类型滤波器则可以帮助减少 PCB 走线的传导发射。虽然这些措施无法完全消除 EMI，但可以使其衰减到不干扰其他通讯或数字组件的程度。

　　传导发射 EMI 标准

　　许多监管机构对装备产生的传导和辐射发射的容许程度均有所监管，以维持电磁兼容性 （EMC）。

　　消费性产品

　　多年来，在欧盟境内用于通讯和信息技术 （IT） 终端设备的电源供应器产品便符合著名的欧洲标准 EN 55022，该标准主要来自 CISPR 22 产品标准。 不过，CISPR 22/EN 55022 近期已合并至 CISPR 32/EN 55032。此新发射标准涵盖多媒体设备，并已生效成为调和 EMC 规范标准。EN 55022/32 Class A 和 Class B 传导发射限制，涵盖 150kHz 至 30MHz 频率范围内的准峰值和平均信号侦测器。用于住宅环境中的设备必须符合 Class B 限制，所有其他设备则必须符合 Class A 限制。

　　工业

　　CISPR 11 是工业、科学和医疗 （ISM） 射频 （RF） EMI 的国际产品标准，适用于各种设备，包括无线电力传输、充电设备、Wi-Fi 系统、电磁炉和电弧焊机。此外，部分工业终端设备还具备专用的系统级标准，以依据 CISPR 11 进行 EMC 测试。例如，IEC 61131-2 规定了工厂自动化和流程控制应用中广泛使用的可程序逻辑控制器 （PLC） 发射要求。其他系统级标准包括用于速度可调式马达驱动系统的 EMC 规范 IEC 61800-3，以及适用于实验室设备的 IEC 61326-1。

　　汽车

　　对于汽车电子产品设计者而言，相关传导发射测试明确规范于 CISPR 25 中。此国际标准适用于汽车零部件和模块，使用一或两套 5?H/50Ω 人工网络 （取决于接地配置） 进行测量。该标准表示「车载接收器保护」不受特定频段 （150kHz 至 108MHz） 频率范围内测量的传导噪声影响。这些频率范围分布在 AM 广播、FM 广播和移动服务频段中，如图 1 所示。CISPR 25 规范了峰值 （PK）、准峰值 （QP） 和平均 （AVG） 信号侦测器的传导发射限制。

　　图 1. CISPR 25 Class 5 传导发射限制

　　表 1 显示了 Class 5 的限制，为 CISPR 25 中最严格的要求。这些限制相当具有挑战性，特别是 68MHz 至 108MHz 的 VHF 和 FM 频段中的 18dBµV 平均值 （或 38dB?V 峰值） 限制，因为滤波器组件中的寄生效应会降低此类频率下的 EMI 滤波器衰减。

　　表 1. 传导 EMI 限制

　　表 2 显示传导发射适用标准摘要。CISPR 标准适用于欧盟的产品，而 FCC 则适用于美国的产品。

　　表 2. 传导发射主要产品标准摘要

　　车用辐射发射 EMI 标准

　　CISPR 25 规范涵盖车辆中的无线电接收标准，因此对各种无线电服务的频段定义了相关限制。该标准包含使用车辆天线进行组件或模块发射测量，以及整体车辆发射测试。图 2 显示汽车产业应用组件/模块使用峰值 （PK） 和 AVG 侦测器的 Class 5 辐射发射限制。最低测量频率针对 150kHz 至 300kHz 的欧洲长波 （LW） 广播频段，最高频率为 2.5GHz （蓝牙和 Wi-Fi 传输）。使用输出阻抗为额定50Ω 的线性极化电场天线进行测量。CISPR 25 的辐射发射测试标准比 FCC 或 CISPR22 更严格，接收器放置在距离被测装置 （DUT） 1m 位置，而 CISPR 22 则为 10m。

　　图 2. 使用内衬吸波材料屏蔽围体 （ALSE） 测试的 CISPR 25 Class 5 辐射限制

　　符合汽车规格的 DC-DC 降压转换器

　　AP64350Q 是一款符合汽车规格的 3.5A 同步降压转换器，具备 3.8V 至 40V 的宽广输入电压范围。该产品整合了 75mΩ 高侧电源 MOSFET 和 45mΩ 低侧电源 MOSFET，提供高效率的 DC-DC 降压转换功能；此外，本产品也精心设计了可降低 EMI 的功能，包括专有的闸极驱动器方案，可在不牺牲 MOSFET 导通和关断时间的情况下抑制开关节点振音，以减少 MOSFET 开关引起的高频辐射 EMI 噪声。AP64350Q 亦采用频率展频 （FSS） 技术 （具有 ±6% 的开关频率抖动），可避免发射的能量停留在任一频率过久，由此降低 EMI。

　　AP64350Q 已进行 EMI 测试，确保符合 CISPR 25 Class 5 传导和辐射发射限制。图 3 显示 500kHz 开关频率下测试 AP64350Q 的滤波阶段。

　　图 3. EMI 滤波阶段示意图

　　测试期间较高的负载会导致更多的 EMI，但此为意料之中。即便使用这些阶段滤波器，如果 DUT 使用屏蔽 （Shielding） 来抑制所有产生的噪声，但也只能有时能满足 EMI 的限制。屏蔽层必须连接至 0V 以提供最佳的 EMI 效能。通过接地屏蔽可以使 AP64350Q 符合所有 CISPR 25 Class 5 的限制，如同表 3 所示。虽然使用共模（Common Mode） 电感器有助于提高 EMI 效能，但因为大多数噪声都是以差分形式产生的，因此效果极小。

　　表 3. AP64350Q 降压 DC-DC 转换器的传导和辐射发射测试结果

　　结论

　　传导和辐射 EMI 与所有电子组件 （尤其是开关转换器） 都有关系，因此主管部门通过制定相关标准来控制其在不同市场和地区的影响。CISPR 25 Class 5 规定了汽车产业应用产品中最严格的标准，即便是设计良好的开关转换器，如果未采用多阶段滤波和屏蔽技术，也可能无法满足此标准。Diodes 公司的 AP64350Q 是一款符合汽车产业应用 CISPR 25 Class 5 限制的降压转换器。

更多精彩内容欢迎点击==>>电子技术应用-AET<<