“鑒于 EMI 可能在后期嚴(yán)重阻礙設(shè)計進度，浪費大量時間和資金，因此必須在設(shè)計之初就應(yīng)考慮EMI 問題。”德州儀器（TI）白皮書《通過節(jié)省時間和成本的創(chuàng)新技術(shù)降低電源中的EMI》開篇中寫道。

“特別是在汽車和工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的電源系統(tǒng)中，如何更好滿足EMI的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，降低傳導(dǎo)和輻射是工程師關(guān)心的關(guān)鍵問題之一。電子設(shè)備的增長以及DC/DC開關(guān)速度的提高，對電源設(shè)計工程師提出了新的挑戰(zhàn)?！盩I升壓與多通道DC/DC產(chǎn)品線副總裁兼總經(jīng)理 Cecelia Smith女士表示。

EMI 是一種電磁能量（開關(guān)電流和電壓的不良副產(chǎn)物），它來自多種物理現(xiàn)象，可在嚴(yán)格的 EMI 測試中表現(xiàn)出來。

過去很長時間，為了達到更好的穩(wěn)定性，工程師不得不考慮線性電源（LDO）。開關(guān)電源盡管有更高的效率，更高的輸出電壓，但是其MOSFET的開關(guān)特性導(dǎo)致會產(chǎn)生干擾與噪音，以至于工程師只好在品質(zhì)和效率之間進行折中。

“為了實現(xiàn)開關(guān)模式電源的所有優(yōu)勢，EMI降低技術(shù)對于平衡傳統(tǒng)的權(quán)衡要素而言至關(guān)重要。這需要采用適用于低頻和高頻EMI的創(chuàng)新解決方案以及精確的建模技術(shù)。”

降低EMI的常規(guī)方法降低 EMI 是一項需要進行各種權(quán)衡的棘手工作。包括使用大型且昂貴的濾波器或降低開關(guān)壓擺率，該技術(shù)會直接影響效率并顯著增加開發(fā)周期，電路板尺寸以及成本。

緩解開關(guān)電源EMI可以有非常多的方式，作為電源行業(yè)創(chuàng)新先行者之一，TI寬輸入電壓及降壓開關(guān)電源產(chǎn)品線經(jīng)理 Ganesh Srinivasan和Smith結(jié)合TI的產(chǎn)品，總結(jié)了多種緩解EMI技術(shù)的方式方法。值得注意的是，此次發(fā)布的產(chǎn)品均為工業(yè)和汽車類應(yīng)用，屬于高標(biāo)準(zhǔn)的EMI要求。

針對不同開關(guān)頻率特性，TI都有相應(yīng)的組合解決方案?？傮w來說，包括通過芯片中集成更多的組件或者采用優(yōu)化的封裝等技術(shù)來確保開關(guān)電源有更好的EMI表現(xiàn)。

“我們的策略有兩方面，一是減少無源濾波器，它通常是降低EMI最關(guān)鍵的器件，TI通過降低它的尺寸和成本，幫助工程師縮小EMI電源設(shè)計的尺寸。第二，則是減少設(shè)計的時間和復(fù)雜性，包括集成旁路電容，集成有源的濾波器?！盨mith說道。

集成有源濾波器和雙隨機擴頻技術(shù)

LM25149-Q1是TI推出的業(yè)界首款集成有源濾波器的DC/DC降壓控制器。“有源濾波器能夠檢測輸入端的噪聲和紋波電壓，在直流輸入母線上注入與其相位相反的電流，從而消除電流或電壓干擾，以降低EMI噪聲和紋波電壓。”Srinivasan介紹道。而無源濾波器則使用電感器和電容器在EMI電流路徑中產(chǎn)生阻抗失配，以此減少電源電路的傳導(dǎo)發(fā)射。與無源濾波器相比，有源濾波器的感應(yīng)、注入和補償阻抗使用相對較低的電容值和較小的元件尺寸來設(shè)計增益項。

雙隨機展頻（DSRR）技術(shù)則是有源濾波器的有效補充。展頻技術(shù)利用能量守恒原理，通過將能量分散在多個頻率上來減小EMI 峰值。但是EMI 不限于單個頻帶，而是存在于多個頻帶中，這就帶來一個困境，因為擴頻通常只針對單個頻帶進行改善。一種稱為雙隨機展頻 （DRSS） 的數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)為這個問題帶來了新的解決方案。DRSS 的基本原理是疊加兩條調(diào)制曲線，每條曲線針對不同的RBW。該技術(shù)主要針對車用市場，CISPR 25 汽車標(biāo)準(zhǔn)的兩個關(guān)鍵頻帶就是150kHz至30MHz頻帶以及30MHz至108MHz頻帶。

由于無源濾波器往往體積龐大，可占電源方案總體積的30%。因此，集成有源濾波器之后，Srinivasan表示，通過結(jié)合這兩項技術(shù)，“可以在多個頻帶上將傳導(dǎo)EMI降低高達55dBμV。在保證EMI性能的同時最高可以降低高達50%的占板面積和75%的體積?！?/p>

無源（a）和有源（b）濾波器設(shè)計的PCB布局尺寸比較

集成旁路電容和創(chuàng)新封裝技術(shù)

LMQ61460是3V 至 36V、6A、低噪聲同步降壓轉(zhuǎn)換器。“該產(chǎn)品集成了輸入旁路電容，可以大幅度降低封裝里基線的電感及輸入紋波，降低環(huán)路寄生效應(yīng)，從而能夠提供更為良好的EMI表現(xiàn)?！盨rinivasan介紹道。

圖中紅圈為集成的輸入旁路電容

此外，HotRod封裝技術(shù)也是TI一種應(yīng)對高頻EMI的專利。具有經(jīng)過優(yōu)化的引腳排列，有助于實現(xiàn)更少的開關(guān)節(jié)點振鈴。從鍵合線封裝改用基于引線框的倒裝芯片 （HotRod） 封裝，有助于降低電源環(huán)路電感，進而降低開關(guān)節(jié)點振鈴。

采用 HotRod 封裝器件的另一項優(yōu)勢是，這些器件易于實現(xiàn)并行輸入路徑引腳排列（直流/直流轉(zhuǎn)換器輸入電容器的布局布置）。通過優(yōu)化直流/直流轉(zhuǎn)換器的引腳排列使輸入電容器的布局對稱，輸入電源環(huán)路產(chǎn)生的反向磁場就會處于對稱環(huán)路中，從而更大程度地降低對附近系統(tǒng)的發(fā)射。

Enhanced HotRod QFN 封裝器件中的引腳排列和 PCB 布局布線

更靈活的開關(guān)頻率

TPS25850-Q1是一款雙端口、3A DC/DC充電端口控制器，提供 400kHz 和 2.2MHz 參考設(shè)計。以前汽車電源解決方案的推薦開關(guān)頻率一直處于AM以下頻帶（約 400kHz）。通過選擇較高的開關(guān)頻率來顯著減小電感器尺寸，意味著必須避開整個AM頻帶（525kHz 至 1，705kHz），從而在更嚴(yán)格的汽車 EMI 頻帶上不會產(chǎn)生基本的開關(guān)雜散。

“開關(guān)頻率運行在2.2MHz，可以大大地減少輸出的濾波電感，從而能給工程師帶來更為緊湊的電源解決方案?！盨mith說道。

集成變壓器

UCC12050是500mW的隔離電源方案，他通過優(yōu)化并集成變壓器的初級次級側(cè)的電容，實現(xiàn)了更低的EMI，同時也實現(xiàn)了更高的功率密度。值得一提的是，其也采用了擴頻技術(shù)。擴頻技術(shù)適用于非隔離式和隔離式拓?fù)?，因為兩者?EMI 源相似，擴頻可提供相同的優(yōu)勢。

多重技術(shù)疊加

EMI是一個系統(tǒng)問題，因此我們可以看到TI的很多器件都是結(jié)合了不同的技術(shù)，以實現(xiàn)更好的EMI表現(xiàn)。而且TI的隔離技術(shù)可以應(yīng)用于所有的電源產(chǎn)品，包括降壓/升壓和反相穩(wěn)壓器、隔離式偏置電源、多通道 IC （PMIC）、降壓穩(wěn)壓器和升壓穩(wěn)壓器。

以剛剛發(fā)布的LM5157-Q1非同步升壓轉(zhuǎn)換器為例，該產(chǎn)品集成了雙隨機展頻、2.2MHz開關(guān)頻率、正負(fù)30%的頻率同步范圍等多種降低EMI的技術(shù)。

精確的建模技術(shù)

對任何電路進行建模是早期評估設(shè)計性能的重要方法，因此在縮短設(shè)計周期中起著至關(guān)重要的作用。EMI 建模是一個復(fù)雜的過程，涉及PCB的時域電路分析和頻域電磁仿真。對 EMI 發(fā)射進行建?？梢詼p少設(shè)計迭代次數(shù)，從而能夠更輕松、更快速地滿足 EMI 標(biāo)準(zhǔn)限制要求。

Smith表示：“針對評估及其他相關(guān)支持與服務(wù)，TI提供了完整的體系，包括通過TI.com提供Webench在線模擬仿真及設(shè)計系統(tǒng)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)表、規(guī)格書以及評估板的使用手冊上，都會詳細列出產(chǎn)品的EMI實際測試結(jié)果，以及針對CISPR 25和CISPR 32的規(guī)范。同時工程師也可以通過E2E線上論壇向TI專家進行相關(guān)提問?！?/p>

此外，Smith補充道，TI也為客戶提供了EMI測試的場地實驗室，客戶可以把他所需要測試的產(chǎn)品帶過來，在我們內(nèi)部的測試場地進行CISPR 25或CISPR 32等EMI測試。

WEBENCH設(shè)計工具中的輸入 EMI 建議和阻抗分析

總結(jié)

Srinivasan表示：“TI想給工程師最好的產(chǎn)品體驗，我們的目標(biāo)是同時實現(xiàn)高效率、低EMI、低靜態(tài)電流以及好的熱表現(xiàn)，用戶無需再對此進行任何權(quán)衡?！?/p>

Smith也特別強調(diào)，隨著電動汽車時代的到來，以及更多車身娛樂系統(tǒng)、ADAS系統(tǒng)所帶來的元器件數(shù)量急劇增加，很多EMC標(biāo)準(zhǔn)要變得更高。一方面需要更緊湊的電源，另外則需要更小的EMI。工業(yè)市場同樣如此，因此，TI需要通過各種技術(shù)的組合，以不斷滿足市場要求。

編輯：hfy