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本帖最后由 一路上 于 2023-12-26 18:57 编辑
前言
开关电源因其固有的设计特性而产生电磁干扰 (EMI)，产生富含谐波的不良发射的内部开关电源电路可能会对安装电源的电路内部以及发射源附近的其他电子设备造成电气干扰。
法律、法规和国际合作
通过有意发射电磁场，电磁频谱已广泛用于广播、电信和数据通信。许多电气和电子设备也存在无意排放，例如弧焊机、家用电器和计算机设备。为了保护电磁频谱并确保并置电气和电子系统的兼容性，避免无故障运行，美国和国际社会的监管机构制定了控制电子设备中传导和辐射电磁干扰的标准。本讨论主要集中于使用开关电源的系统中的无意电磁兼容性。
美国标准
在美国，负责监管通信的政府机构是联邦通信委员会 (FCC)。FCC 规则和条例第 15 部分概述了电磁干扰的控制。FCC 规则规定任何大于 10 KHz 的杂散信号均须遵守这些规定。FCC 进一步规定了必须根据发射类型控制这些杂散发射的频段。辐射发射，即通过空气辐射和耦合的发射，必须控制在 30 MHz 至 1000 MHz 之间。传导发射，即交流电源总线内包含的射频信号，必须控制在 0.45 MHz 至 30 MHz 之间的频带内。
FCC 将数字电子设备进一步分类为 A 类（指定用于商业、工业或商业环境，不包括住宅用途或公众使用）和 B 类（指定用于住宅环境，尽管用于商业、商业用途）和工业环境）。B 类设备的示例包括个人计算机、计算器和供公众使用的类似设备。B 类设备的排放标准更具限制性，因为它们更可能靠近家庭中使用的其他电子设备。
| 发射频率 (MHz) | | 0.45～1.6 | 1000 | 1.6～30.0 | 3000 | | 发射频率 (MHz) | | 0.455～1.6 | 250 | 1.6～30.0 | 250 | | 发射频率 (MHz) | | 30~88 | 30 | 88~216 | 50 | 216~1000 | 70 | 1000以上 | 70 | | 发射频率 (MHz) | | 30~88 | 100 | 88~216 | 150 | 216~1000 | 200 | 1000以上 | 200 |
图 1：FCC 传导和辐射发射场强限制
国际标准
欧洲共同体广泛使用的标准是国际无线电干扰特别委员会 (CISPR) 第三版，Pub. 22，“信息技术设备—无线电干扰特性—限制和测量方法”，1997 年发布。该标准更广为人知的名称是 CISPR 22。与美国监管电磁干扰的 FCC 不同，CISPR 是一个标准组织，没有监管机构。然而，CISPR 标准已被欧洲共同体大多数成员采用。
CISPR 22 还区分 A 类和 B 类设备，并为每个类别建立传导和辐射发射。此外，CISPR 22 要求在 0.15 MHz 至 30 MHz 频率范围内进行传导发射认证（FCC 范围从 0.45 MHz 开始）。
| 发射频率 (MHz) | | | | 0.15～0.50 | 79 | 66 | 0.50～30.0 | 73 | 60 | | 发射频率 (MHz) | | | | 0.15～0.50 | 66 ~ 56* | 56 ~ 46* | 0.50～5.00 | 56 | 46 | 5.00 ~ 30.0 | 60 | 50 | | 发射频率 (MHz) | | 30~88 | | 88~216 | | 216 ~ 960 | | 960以上 | | | 发射频率 (MHz) | | 30~88 | | 88~216 | | 216 ~ 960 | | 960以上 | |
图 2：传导和辐射发射的 CISPR 场强限制* 随着频率的对数而减小
标准统一
FCC 第 15 部分规则和 CISPR 22 的要求已经协调一致，除了少数例外，这两种标准均可用于认证数字电子设备。协调要求传导发射和辐射发射使用相同的标准。由于 CISPR 22 对于 1000 MHz 以上的频率没有指定限制，因此必须根据 FCC 规则和限制进行 1000 MHz 以上的测量。FCC 第 15 部分和 CISPR 22 中规定的传导和辐射发射限值在规定频率上彼此相差几 dB，因此使用任何一组限值都不会影响测量和认证过程的准确性。FCC 限值以 µV 为单位，CISPR 限值以 dBμV 为单位，因此需要转换一组限值的单位以进行直接比较。
开关电源和 EMC 标准
“开关电源”是一个通用术语，描述了一种电源，它使用电路将直流电压转换为交流电压，交流电压可以进一步处理成为另一种直流电压。开关电源可以进一步分类为交流-直流电源（交流输入）和直流-直流转换器（直流输入），因为两者都包含用于电压变化的直流到交流转换。开关电源凭借其固有的设计特性，会产生由多种频率信号组成的电磁干扰。DC-DC 转换器将输入直流电压转换为可通过变压器升压或降压的交流电压。AC-DC 电源还利用高频电路进行电压转换。
然而，在任何一种情况下，内部交流电压都不是纯正弦波，而通常是方波，可以用傅里叶级数表示，傅里叶级数由具有谐波相关频率的许多正弦波的代数和组成。这些多频信号是传导和辐射发射的来源，可能对安装开关电源的设备以及可能受这些频率影响的附近设备造成干扰。
开关电源会产生 EMI，需遵守 FCC 和 CISPR 法规。由于 A 类电子设备的销售目标是在商业、工业或商业环境中使用，而 B 类电子设备的销售目标是在住宅环境中使用，因此 B 类设备的排放限值可能位于靠近因此，广播和电视接收器的限制比 A 类限制更严格。一般来说，B 类限制比 A 类限制更严格，限制为 3 倍（~10 dB）。FCC 传导发射限制指定的频率范围为 0.45-1.6 MHz 和 1.6-30 MHz。FCC 辐射发射限值规定了 3 米固定测量距离下 30-88 MHz、88-216 MHz 和 216-1000 MHz 频率范围。这些限制适用于安装了嵌入式电源的系统以及使用开关电源的独立应用。
EMC 测试和合规性
EMC 测试和合规性根据 ANSI C63.4-2009“9 kHz 至 40 GHz 范围内低压电气和电子设备无线电噪声发射的测量方法”中定义的测试程序进行。本 ANSI 标准不包括对传导和辐射发射的通用或特定产品相关限制。这些限制在上面讨论的 FCC 和 CISPR 文件中指定。值得注意的是，测试是针对整个系统进行的，而不仅仅是电源模块，尤其是嵌入式电源模块。对于外部电源（如独立电源适配器），即使电源适配器符合规定，也需要对整个系统进行测试。
EMI/EMC 基础知识、来源和相关频率
EMI 情况通常包括干扰源、将 EMI 耦合到其他电路的路径以及被称为“受害者”的目标，其性能会因源 EMI 而降低。EMI 的破坏性影响在许多不同的技术中都会带来不可接受的风险，因此有必要从源头控制 EMI 或将暴露于 EMI 的风险降低到受害者可接受的水平。
EMI 首先可以归类为连续干扰，而不是瞬态干扰。当源发出由源的基频和相关谐波组成的不间断信号时，就会发生连续干扰。连续干扰还可以按频段进一步细分。从几 Hz 到 20 kHz 的频率被归类为音频。音频干扰源包括电源嗡嗡声和相关布线、传输线和变电站、音频处理设备（例如音频功率放大器和扬声器）以及高频载波的解调（例如 FM 无线电传输中的高频载波）。
射频干扰 (RFI) 发生在从 20 kHz 到先进技术定义的不断增加的限制范围内。RFI 的来源包括无线和射频传输、电视和无线电接收器、工业、科学和医疗设备以及高频电路信号，例如微处理器、微控制器和其他高速数字设备中的信号。
由多个频率的信号组成的宽带噪声可能分布在两个频率范围的部分上。宽带噪声源包括太阳活动、连续工作的火花隙（例如电弧焊机）和 CDMA 移动电话。
当源发出短持续时间的能量脉冲而不是连续信号时，就会出现瞬态 EMI。电源包括开关电路，例如继电器、螺线管和电动机等感应负载。其他来源包括静电放电 (ESD)、闪电、核和非核电磁脉冲武器以及电源线浪涌。重复瞬态 EMI 可能由电动机、汽油发动机点火系统和连续数字电路开关引起。
电磁干扰耦合
耦合可以通过不需要的路径（所谓的“潜行电路”）的传导、通过感应（如在变压器中）以及辐射或空中耦合来发生。
当源和接收器之间的耦合路径通过直接接触形成时，就会发生传导耦合。直接接触可能是由传输线、电线、电缆、PCB 走线或金属外壳引起的。传导噪声可以以共模或差模的形式出现在两个导体上。
差模噪声是由两线对中的差模电流产生的。差模电流是两线对上的预期电流，即电流在线路的源端离开并在线路的返回侧返回。相对于指定参考点在每条线上测量噪声。最终的测量结果将是两条线路上的噪声差异。差模电流通过电源线在开关电源与其源或负载之间流动，并且这些电流与地无关。因此，没有差模电流流过地。
共模噪声是由共模电流引起的。在这种情况下，噪声电流沿同一方向沿两条引出线流动，并通过不属于设计一部分的系统接地的某个寄生路径返回，即前面讨论的所谓“潜行电路”。在许多情况下，共模噪声是通过电路中的寄生电容传导的。共模电流通过电源线以相同方向流入或流出开关电源，并通过接地返回源。共模电流也会流过外壳与地之间形成的电容。
图3：差模和共模电流的定义
传导 EMI 发射的测量频率高达 30 MHz。频率低于 5 MHz 的电流大多为差模，而频率高于 5 MHz 的电流通常为共模。
感应耦合发生在源和接收器相距很短距离的地方。感应耦合可以是由于电感应或磁感应引起的。电感应由电容耦合产生，而磁感应由电感耦合产生。当两个相邻导体之间存在变化的电场时，就会发生电容耦合，从而引起间隙上的电压变化。当两个平行导体之间存在变化的磁场时，就会发生磁耦合，从而引起沿接收导体的电压变化。相对于传导或辐射耦合，电感耦合很少见。
当源和接收器（受害者）充当无线电天线时，就会发生辐射耦合。源辐射电磁波，该电磁波在源和受害者之间的开放空间传播并被受害者接收。
表征 EMI 问题需要了解干扰源和信号、到受干扰源的耦合路径以及受干扰源的性质（包括电气特性和故障的严重性）。威胁带来的风险通常是统计性的；威胁表征和标准制定方面的大部分工作都是基于将破坏性 EMI 的可能性降低到可接受的水平，而不是确保消除它。
EMI 要求（辐射和传导）适用于整个电子系统。电源模块是系统内的众多组件之一。由于 EMI 要求适用于整个系统，因此必须在系统设计上投入大量精力来限制噪声。大多数电子设备与电源的接口只有一个，那就是通过电源。如果在电源和电源之间插入足够的 EMI 滤波器，则可以充分抑制电源模块的传导发射，以满足 FCC 或 CISPR 限制，而无需任何电源模块作为独立组件满足 EMC 标准。然而，应该注意的是，独立应用中的开关电源（通常采用外部电源适配器的形式）需要在传导 EMI 限值以下运行。
电力系统中减少电磁干扰的实用措施
在由开关电源供电的系统和电路中，应遵守良好实践，以最大限度地减少 EMI 问题并确保机构合规性。要将 EMI 抑制到低于监管机构规定的水平，需要了解电源的设计及其所结合的应用。值得注意的是，如果应用的设计没有最大限度地减少 EMI，那么即使具有适当滤波的开关电源的应用也可能无法达到合规性。必须注意按照预期正确使用电源/转换器，以防止电源产生的噪声辐射或到达源，最大限度地减少从电源拾取的噪声，最大限度地减少系统噪声的产生，并防止系统产生的噪声到达电源。
传导电磁干扰的缓解技术
为了有效减轻传导发射，必须分别解决差模噪声和共模噪声，因为每种类型的噪声修复方案都不同。差模噪声的解决方案不会消除电路中存在的共模噪声。对于共模噪声解决方案和应用的差模噪声来说也是如此。
通常可以通过在电源的电源线和返回线之间直接连接旁路电容器来抑制差模噪声。
图 4：差模噪声通常可以通过在电源的电源线和返回线之间直接连接旁路电容器来抑制
需要滤波的电源线可能位于电源的输入端或输出端。这些线路上的旁路电容器需要在物理上靠近噪声产生源的端子放置，才能最有效。旁路电容器的实际位置对于高频差模电流的有效衰减至关重要。差模电流在噪声生成源的基本开关频率附近的较低频率处的衰减可能表明需要高得多的旁路电容值，而这是陶瓷型电容器无法达到的。高达 22 µF 的陶瓷电容器可能适用于开关电源较低电压输出端的差模滤波，但不适用于可能经历 100 伏浪涌的输入。对于这些应用，采用电解电容器是因为它们具有高电容和额定电压。
差模输入滤波器通常由电解电容器和陶瓷电容器的组合组成，以在较低基波开关频率和较高谐波频率下适当衰减差模电流。进一步抑制差模电流可以通过添加与主电源串联的电感器与旁路电容器形成单级LC差模低通滤波器来实现。
通过在电源的每条电源线和地之间连接旁路电容器，可以有效抑制共模传导电流。这些电源线可以位于电源的输入端和/或输出端。通过添加一对与每个主电源串联的耦合扼流电感器可以进一步抑制共模电流。耦合扼流电感器对现有共模电流的高阻抗迫使这些电流通过旁路电容器。
图5：通过在电源各电源线与地之间连接旁路电容，有效抑制共模传导电流
辐射 EMI 的缓解技术
可以通过降低 RF 阻抗和减小天线环路面积来抑制辐射 EMI，而天线环路面积是通过最小化由电源线及其返回路径形成的封闭环路面积来实现的。印刷电路板走线的电感可以通过使其尽可能宽并使其平行于其返回路径来最小化。同样，由于导线环路的阻抗与其面积成正比，因此减少电源线及其返回路径之间的面积将进一步减少其阻抗。在印刷电路板内，可以通过将电源线和返回路径一层一层地放置在相邻印刷电路板层上来最好地减少这一面积。回想一下，减小电源线及其返回路径之间的环路面积不仅会降低射频阻抗，还会降低天线的效率，因为较小的环路面积会产生减小的电磁场。位于印刷电路板外表面上的接地层，特别是直接位于噪声产生源下方时，可显着抑制辐射 EMI。
为了进一步减少辐射噪声，可以利用金属屏蔽来遏制辐射。这是通过将噪声产生源放置在接地导电外壳内来实现的。通过在线过滤器与清洁的外部环境相连。共模旁路电容器还需要在导电外壳上返回接地。
图 6：减少天线环路面积以减少辐射发射
开关电源的其他缓解措施
应采用可靠的电源接线连接。布线必须具有合适的尺寸并尽可能短，并且应尽量减少布线环路。避免在功率设备附近布置输入或输出接线，以防止噪声拾取。
确保所有接地连接均已建立并正确固定。接地线应尽可能短。如果电路或系统操作引起电流瞬变，则非常重要的是使用本地去耦电容器来本地提供脉冲电流，而不是让脉冲电流向上游传播到电源。这些电容器应包括高频陶瓷电容器和大容量电容器。如果操作允许，减慢时钟或上升/下降沿。具有较高时钟速率/快速开关时间的电路应位于靠近电源线输入的位置，以减少电源瞬变。建议模拟和数字电路在电源和信号线上单独物理隔离。
必须小心防止系统中出现接地环路，尤其是当系统变得复杂时。这可以通过使用单点接地或接地平面来实现。图 7 中突出显示了一个示例。
图 7：消除供应线路中的环路
如果系统中有多个电路，请通过运行单独的电源线来将电路彼此解耦，或者在电源线中放置电感，如下图 8 中突出显示的那样。
图 8：局部边界处的解耦供应线
如果需要，可以将铁氧体磁珠放置在直流电源线上以隔离系统和电源。这可以有效防止电源开关谐波干扰系统运行，或防止系统产生的噪声到达电源。在输入侧，如果内置 EMI 滤波器不足以满足特定应用的需要，可以在电源之前应用额外的 EMI 滤波器。还可以在交流入口和电源之间的接地线上放置一个磁珠。
尽管上面强调的许多缓解技术都适用于系统内 AC-DC 和 DC-DC 转换器的实施，但对于 DC-DC 转换器，必须考虑一些特定的注意事项。大多数 DC-DC 转换器中的开关动作需要脉冲输入电流，最好由靠近开关器件的本地电容器提供。
由于许多 DC-DC 转换器尺寸紧凑，因此它们通常不包含足够的电容。系统设计人员需要在输入端放置额外的电容以减少差模噪声。为了获得更好的过滤性能，可以使用 PI 滤波器。附加电容器用于降低共模噪声。
其他系统级缓解技术
大多数开关电源设计为作为独立模块满足适用的 EMI 标准，但系统本身需要设计为生成最小的 EMI 曲线以满足监管标准。系统设计中适合 EMI 缓解实践的特定区域包括信号线、印刷电路板 (PCB) 和固态组件。
信号线考虑因素包括在信号线上使用低通滤波器，以将线路上的允许带宽降至最低，但仍允许信号不衰减地通过。馈送和返回环路应在宽带信号线上保持靠近，以最大限度地减少辐射发射。此外，承载射频或近射频信号的信号线应正确端接，以减少端接处的反射。通过使用适当的终端，也可以最大限度地减少这些线路上的振铃和过冲。
通过使用宽 PCB 金属条来降低电源线的阻抗，可以减轻 PCB 高阻抗运行带来的 EMI。在可能的情况下，信号走线的设计应考虑其传播延迟与信号上升/下降时间的关系，并包括接地层和电源层。应严格避免 PCB 布局中的狭缝孔径，特别是在接地层或电流路径附近，以减少不必要的天线效应。电路板金属条纹应尽可能短，并应避免可能引起反射和谐波的金属短线。
此外，避免电源层重叠，以减少系统噪声和电源耦合。减少或消除金属条中的急剧弯曲（也称为斜角或轨道斜接）以减少场集中，并在相邻层之间正交地运行导电条以减少串扰。浮动导体区域可以作为辐射发射源，因此除了首要的热考虑因素之外，应避免使用它们。此外，PCB 上的固态组件应在靠近芯片电源线的位置进行去耦，以减少组件噪声和电源线瞬变。
结语
开关电源因其固有设计而可能产生 EMI，国内和国际监管机构通过颁布 FCC 第 15 部分规则和 CISPR 22 标准等规则和标准来监管这些排放。
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发表于 2023-12-26 18:52:10
