减少传导 EMI 的方法比我们想象的要多

1.前言

电磁干扰 (EMI) 在某些设计中是一个棘手的问题，尤其是在汽车系统中，如信息娱乐、车身电子、ADAS 等。在设计原理图和绘制版图时，设计人员通常通过减少高 di/dt 环路面积和减慢开关压摆率来最大限度地减少源头的噪声。

然而，有时无论他们如何仔细地设计布局和原理图，他们仍然无法将传导 EMI 降低到所需的水平。噪声不仅取决于电路寄生，而且还与电流电平有关。此外，开关导通和关断的动作会产生不连续的电流。不连续的电流会导致输入电容器上的电压纹波，从而增加 EMI。

2.减少EMI方案

因此，最好考虑采用其他方法来提高传导 EMI 性能——添加输入滤波器以平滑电压扰动或添加屏蔽以阻止噪声。

图 1 显示了一个简化的 EMI 滤波器，其中包括一个共模 (CM) 滤波器和一个差模 (DM) 滤波器。通常，DM 滤波器滤除 30MHz 以下的噪声，CM 滤波器滤除 30MHz 至 100MHz 的噪声。两个滤波器都会对需要限制 EMI 的整个频段产生影响。

图 1：简化的 EMI 滤波器

例如，图 2 显示了来自信息娱乐系统中没有任何滤波器的输入线的正噪声和负噪声，以及峰值和平均噪声。测试的系统使用 TI 的 SIMPLE SWITCHER® LMR14050-Q1 单通道降压转换器在 5A 时产生 5V 电压，并使用 TPS65263-Q1 三通道降压转换器在 3A 时产生 1.5V、2A 时产生 3.3V 和 2A 时产生 1.8V。开关频率为 2.2MHz。图中的传导 EMI 标准是 Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 Class 5。

图 2：没有任何滤波器的噪声符合 CISPR 25 Class 5 标准

图 3 显示了使用 DM 滤波器的 EMI 结果。DM 噪声在中频段（2MHz 至 30MHz）中被滤波器衰减近 35dBμV/m。高频噪声（30MHz 至 100MHz）也有所降低，但仍超出限制水平。这是因为 DM 滤波器不能有效地过滤 CM 噪声。

图 3：符合 CISPR 25 Class 5 标准的 DM 滤波器噪声

图 4 显示了带有 DM 和 CM 滤波器的噪声。与图 3 相比，CM 滤波器将 CM 噪声降低了近 20dBμV/m。EMI 性能通过 CISPR 25 Class 5。

图 4：根据 CISPR 25 Class 5 标准使用 DM 和 CM 滤波器的噪声

图 5 还显示了使用 DM 和 CM 滤波器（与图 4 相同的滤波器）的噪声，但布局不同。与图 4 相比，整个频段的噪声增加了大约 10dBμV/m。更糟糕的是，高频噪音超过了标准限制。

图 5：符合 CISPR 25 Class 5 标准的 DM 和 CM 滤波器的噪声

图 6 显示了导致图 4 和图 5 之间结果不同的布局差异。在图 6 右侧所示的图 5 布局中，大的覆铜 (GND) 和 VIN 走线形成了一些寄生电容。这些寄生电容为高频信号提供了一条绕过滤波器的低阻抗路径。因此，为了最大限度地提高滤波器的效率，您必须去除每一层滤波器周围的覆铜，如图 6 左侧所示的布局。

图 6：不同的过滤器布局

优化 EMI 性能的另一种有效方法是添加屏蔽。连接到 GND 的金属屏蔽可以阻挡辐射噪声。图 7 显示了带有建议屏蔽位置的电路板。屏蔽罩覆盖除过滤器之外的所有组件。

图 8 显示了所有滤波器和屏蔽的 EMI 结果。在图 8 中，屏蔽几乎消除了整个频段的噪声，因此 EMI 性能非常好。屏蔽减少了与长输入线的耦合辐射噪声，输入线充当天线。在此设计中，中频噪声通常以这种方式耦合。

图 7：带屏蔽板的电路板

图 8：所有滤波器和屏蔽的噪声符合 CISPR 25 Class 5 标准

图 9 还显示了所有滤波器和修改后的屏蔽的噪声。在图 9 中，屏蔽层是一个包围整个电路板的金属盒；只有输入线在外面。有了这个屏蔽，一些辐射噪声可以绕过 EMI 滤波器并耦合到 PCB 中的电源线，导致 EMI 性能比图 8 中的屏蔽更差。 有趣的是，高频段的 EMI 结果几乎相同如图 4、8 和 9（它们都是相同的布局）。这是因为本设计的高频段几乎不存在辐射噪声。

图 9：所有滤波器和屏蔽的噪声符合 CISPR 25 Class 5 标准

通常，添加 EMI 滤波器和屏蔽都是提高汽车系统 EMI 性能的有效方法。同时要注意过滤器的布局和屏蔽的位置。