介绍
现代电子产品要求低EMI和EMC一致性,这两者都与器件电源部分的组件选择和物理布局有关。更多的设计要求更高的功率水平和高功率效率,以及为混合信号系统提供低噪声电源。因此,EMI和EMC挑战在许多系统中更加明显,经常导致重新旋转和重新设计。
在这个由两部分组成的系列文章中,我将概述影响电噪声产生和传播的机制和物理原理。重点将放在电源噪声的来源,以及噪声如何辐射或传导到电气系统的其他区域。最后,我们将讨论这些系统的PCB布局,重点是抑制EMI和确保EMC设计的合规性。
首先,让我们关注一下电源稳压器,它们产生的噪声,以及噪声与电路设计和元件选择的关系。电压调节器在几乎所有不使用外部电源的系统中都很常见,因此电源转换电压调节器的选择和设计对实现EMC至关重要。
检查电压调节器的噪声
电压调节器是最简单的一种功率调节器:它们接受一个电平的电压并将其转换到另一个电平,同时试图最大限度地提高电源效率。电压调节器有两种形式:开关调节器和线性调节器。每一种都有不同的噪声特性和功率转换能力。不同类型的稳压器和电源之间的权衡会显著影响电池寿命、EMI/EMC合规性,甚至是正在开发的产品的基本操作。
线性稳压器
线性稳压器和ldo(低降差稳压器)通过将输入电压降至较低水平来工作,它们的效率取决于电路或组件中的降压机制。它们不直接产生电磁干扰,因为它们不依赖于开关动作来产生和正则化目标电压。对于低功耗、低噪音的要求,ldo是现代电子产品中使用的标准选项。
这两种类型的稳压器具有简单的噪声抑制机制,如表1所示。对于低噪声,高效率的电力直接输送到一个小电路,LDO显然是优越的,只要输入电压开销设置正确。对于升压或降压操作,以及高功率传输的高效率,设计人员通常选择开关稳压器。
切换监管机构
由于其低噪声功率传输,ldo更适合于低功耗数字和模拟系统,并且由于其高PSRR值,它们不会在电路级传输过多的EMI。然而,当需要更高的电流时,通常需要开关稳压器。开关稳压器通过在无功元件(电感和电容器)中定期存储和释放能量来提供功率,在电路的开关频率上将低频噪声交换为更高的频率纹波。
今天的开关稳压器会产生传导和辐射噪声,尽管在大多数情况下,可以优化电路的设计和布局,以减少某些排放。对于固定系统来说,传导发射通常是一个更大的问题,因为它们往往需要更多的电流,因此系统在开关过程中会产生更大的dV/dt和dI/dt事件。相反,在使用电池的便携式设备中,没有外部连接来为传导噪声提供出口,因此该设备必须主要产生辐射发射。
示例:DC-DC转换器集成门驱动器
作为一个可以在实际系统中实现的例子,请看下面的电路图。该系统使用一个控制块来调制设计中的fet,并在降压拓扑中产生所需的功率输出。控制电路通常可作为门驱动芯片,为特定的调节器拓扑设计。外部fet是产生高dV/dt和dI/dt作用的开关节点,在系统的其他地方可以看到。
与L1和C1串联的电阻在这些各自的组件(ESR值)中是寄生的,尽管应该注意的是寄生电感也存在于电容器(ESL值)中,以及在组件引线/过孔,接地和连接走线中。在这些电路中有几种抑制瞬态的选项,这取决于噪声产生的位置:
- 输入噪声滤波通常应用于跨Vin的电容
- 开关节点上的高频振铃可以用缓冲器电路进行补偿
- 输出上的振荡可以用C1串联的小电阻(几欧姆)减慢,尽管这增加了接通时间
- 任何输出滤波器的振荡都必须用滤波电路中的小串电阻进行补偿
这些步骤试图将任何LC瞬态响应带入临界阻尼状态。
该调节器具有典型的传导EMI问题,将在任何开关调节器中观察到。二极管噪声(例如D2噪声)是辐射发射中的一个重要问题。由于FET切换非常快,二极管可以在50-250 MHz范围内环形,并且FET转换产生的噪声爆发可以在辐射发射测量中发现。
在这种类型的稳压器中,有两个杠杆可用于降低传导噪声:LC滤波器部分的截止和开关频率。因为频率通常是由控制器的内部电路固定的,所以你别无选择,只能通过调整电感来调整输出LC电路来提供纹波降低和噪声降低。
通常,在无法控制开关频率的情况下,设计人员会选择更大的电感,因为这直接减少了输出电压和电流的纹波,但它增加了尺寸和成本。根据上述转换器的功率输出,最好使用简单的线性调节器。只要您不介意将一些输入功率交换为热量,当您需要在低输入和低输出电压之间进行转换时,线性稳压器可以提供一个很好的解决方案。
孤立的拓扑
相关的转换器拓扑结构如下所示,通过变压器(反激转换器)将功率耦合到输出。开关FET调制进入电路的电流,然后电感耦合到变压器的二次侧。然后在输出级整流开关动作,以产生叠加高频纹波的直流输出。
这种转换器拓扑结构对ESD从输入到输出的传播具有弹性。变压器和反馈线上的光耦合器的间隙提供了物理分离,将ESD限制在两个部分之间,并最终迫使它耗散到最近的PE连接。工业以太网也实现了类似的拓扑结构,但该拓扑结构只是耦合高速数字数据,而不是电源。这种设计还抑制了可能通过地平面到达系统中任何IOs的危险直流电流形式的EMI。
然而,本设计通过变压器有一个新的高频耦合机构。需要屏蔽变压器、平面变压器或其他低电容变压器,以防止噪声在变压器的一次侧和二次侧传输。这通常是通过在主要和次要地区域提供一个y型电容来实现的,其中电容大于变压器的绕组电容。
结论
到目前为止,我们已经看到了用于理解电子系统中噪声传播的重要示例和概念。这些设计产生的噪声可以在数据线或模拟信号上产生显著的EMI(传导和辐射),因此必须在系统的各个点抑制噪声。一些选项包括屏蔽、过滤器、适当的组件选择和更仔细的物理布局。下一节将研究噪声在系统周围耦合的物理机制,并对如何处理这些噪声源提供一些见解。