開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)有三大難題，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)在最后一刻功敗垂成，那就是熱問(wèn)題、安規(guī)問(wèn)題和電磁干擾。其中，電磁干擾問(wèn)題是最難被預(yù)測(cè)的，并且受時(shí)間約束（測(cè)試費(fèi)用昂貴，且按小時(shí)計(jì)費(fèi)）。電磁干擾像一個(gè)“氣球”，若試圖在某一頻率“壓下”，可能會(huì)在另一頻率“鼓起”。在設(shè)法符合了傳導(dǎo)發(fā)射之后，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)輻射限制又超標(biāo)了，諸如此類(lèi)。

    電磁干擾是開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中公認(rèn)的最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，許多非特征性寄生參數(shù)會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此需要投入大量的人為調(diào)整（連蒙帶猜、又湊又碰、死馬當(dāng)活馬醫(yī)）。當(dāng)然，如果對(duì)開(kāi)關(guān)電源的原理有清晰而深刻的理解，并且在設(shè)計(jì)階段把關(guān)鍵因素考慮進(jìn)去，那么在電磁干擾測(cè)試和調(diào)試過(guò)程中，主體部分便無(wú)需重新設(shè)計(jì)，避免功虧一簣的“災(zāi)難”發(fā)生。

01【電磁干擾現(xiàn)象的發(fā)生】

任何天線既是良好的接收器，又是良好的發(fā)射器。有些情況下，從輸出電纜開(kāi)始輻射，然后被輸入電纜（通過(guò)輻射）接收，并從該點(diǎn)傳導(dǎo)給建筑的配電網(wǎng)（再次輻射）。輸入和輸出電纜線經(jīng)常攜帶大量的高頻電磁噪聲，在輻射頻譜和傳導(dǎo)頻譜中都能看到。

麥克斯韋方程組表明，時(shí)變電場(chǎng)（E，量綱V/m)產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)(H，量綱A/m)，反之亦然。電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H同時(shí)存在，與原始磁源和電源之間存在時(shí)間差。電磁場(chǎng)在一定距離外組合成電磁波并以光速在空間傳播。

極遠(yuǎn)距離處的電磁場(chǎng)相互成正比，能夠形成自我維持且遠(yuǎn)距離傳播的電磁波（甚至穿越銀河系）。如果電磁波的一個(gè)分量（電場(chǎng)或磁場(chǎng)）遭到破壞，那么整個(gè)電磁波將不復(fù)存在。因此，遠(yuǎn)場(chǎng)常用射頻屏蔽或電磁屏蔽，抑制緩變的電磁場(chǎng)和（或）近場(chǎng)，常用靜電屏蔽和（或）磁屏蔽。

電路的場(chǎng)有如下四種基本類(lèi)型：（1）靜電場(chǎng)：電荷的固定分布，電荷不能移動(dòng)，無(wú)法形成電流（2）靜磁場(chǎng)：由直流回路產(chǎn)生，與靜電場(chǎng)成對(duì)偶關(guān)系。恒定磁場(chǎng)H不隨時(shí)間變化，場(chǎng)信息無(wú)法傳播（3）時(shí)變電場(chǎng)（4）時(shí)變磁場(chǎng)。

電場(chǎng)E和磁場(chǎng)H的比值成為波阻抗。PCB上一個(gè)小環(huán)形電流回路就能產(chǎn)生磁場(chǎng)，而電壓跳變的銅條或金屬條就能形成電場(chǎng)源（例如散熱器）。一旦場(chǎng)隨時(shí)間變化，磁場(chǎng)就能產(chǎn)生相應(yīng)的電場(chǎng)，電場(chǎng)也能產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)。距離很遠(yuǎn)時(shí)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)互成正比，并形成電磁波。遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的邊界定義為距電磁干擾源約1/6波長(zhǎng)處，即0.16波長(zhǎng)處。近場(chǎng)的磁場(chǎng)和電場(chǎng)對(duì)空間輻射的能量很小，能量主要集中在近場(chǎng)范圍內(nèi)。

圖1 自由空間的電磁阻抗

02【DC/DC電路的EMC問(wèn)題】

影響EMC性能有三大要素，分別是干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備。

圖2 影響EMC的三大要素

1）噪音源

以BUCK為例，DC/DC芯片開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生電壓和電流的變化，包含了較快的di/dt和dv/dt噪聲分量，這是噪音源。

圖3 BUCK電路的常見(jiàn)開(kāi)關(guān)波形

圖4 開(kāi)關(guān)波形的斜率與噪音衰減的關(guān)系

以BUCK為例，DC/DC芯片的開(kāi)關(guān)噪聲的開(kāi)關(guān)斜率越小，高頻噪聲的分量衰減就越大。

2）傳播路徑

EMC噪音以傳導(dǎo)和空間輻射的形式對(duì)外輻射。阻斷空間輻射的最好方式是做好金屬屏蔽，而傳導(dǎo)則比較麻煩，噪音會(huì)以磁場(chǎng)和電場(chǎng)的形式耦合到附件的器件和PCB走線上，然后通過(guò)連接器傳到線束上，然后導(dǎo)致空間輻射或者傳導(dǎo)超標(biāo)。

圖5 傳導(dǎo)中常見(jiàn)近場(chǎng)磁場(chǎng)的干擾

圖6 傳導(dǎo)中常見(jiàn)近場(chǎng)電場(chǎng)的干擾

傳導(dǎo)發(fā)射可基本分為兩類(lèi)：

（1）差模（DM），也稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)模式或普通模式

（2）共模（CM），也稱(chēng)為非對(duì)稱(chēng)模式或接地泄露模式

圖7 差模和共模噪音

共模噪音的產(chǎn)生是由于PCBA與機(jī)殼之間存在著容性耦合，電路上的高頻電壓跳變會(huì)通過(guò)容性耦合通過(guò)機(jī)殼導(dǎo)入（泄露）大地，所以在線束上被測(cè)試到共模噪音。同時(shí)，共模噪音會(huì)把長(zhǎng)輸出電纜作為巨型天線。從共模噪音的產(chǎn)生機(jī)理中，我們也可以推斷出共模電流頻率通常要比差模電流頻率高很多。因此，它有能力產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射。如果線路阻抗不相等，共模噪音會(huì)轉(zhuǎn)化為差模噪音，從源頭控制噪音很重要。

測(cè)量電磁干擾要用到阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(ISN)。在離線電源中，它稱(chēng)為線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)，也稱(chēng)為人工電源網(wǎng)絡(luò)(AMN）。它的作用是阻擋一切來(lái)自電網(wǎng)對(duì)外部噪聲進(jìn)入測(cè)試區(qū)域，為待測(cè)裝置提供純凈的測(cè)試環(huán)境；同時(shí)，也阻止電源噪聲進(jìn)入電網(wǎng)，將其轉(zhuǎn)入測(cè)試區(qū)域。

圖8 傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試時(shí)的人工網(wǎng)絡(luò)(LISN)

將機(jī)器的金屬外殼接地的目的是防止裝置內(nèi)輻射外泄。金屬外殼也常被用作良好的散熱器，這樣的后果是內(nèi)部子系統(tǒng)或電路與金屬機(jī)殼之間產(chǎn)生了泄露路徑（阻性或容性），即使泄露電流很小也足以產(chǎn)生電磁干擾的問(wèn)題。但是，如果這些泄露電流不能以某種方式排放，外殼將充電至不可預(yù)測(cè)且不確定的電壓，并最終輻射出去（電偶極子或電場(chǎng)源）。也就是說(shuō)，未接地的外殼會(huì)感應(yīng)并再次輻射內(nèi)部強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)。即使沒(méi)有功率器件安裝在外殼上，內(nèi)部電路與外殼之間也會(huì)有其他泄露路徑，所以外殼接地不可避免。

03【Layout設(shè)計(jì)對(duì)EMC的影響】

1）DC/DC電源的兩大噪音源：DC/DC芯片的主要噪聲源是高頻電流環(huán)路(Hot loop)和高頻開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW note), 包含了比較寬頻段的諧波分量。

圖9 DC/DC 的兩大噪音源

2）高頻電流環(huán)路(Hot loop)和高頻開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW note)分別產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。高頻電流環(huán)路形成的磁場(chǎng)大小取決于環(huán)路面積和電流大小。磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著電流和環(huán)路面積而增大。

圖10 DC/DC 的兩大噪音源

3）在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的PCB時(shí)，切記，必須使電壓跳變的銅面積（例如交換節(jié)點(diǎn)處）最小化，同時(shí)減小所有電流回路包圍的面積，特別是含有高頻諧波的回路。

圖11 減小節(jié)點(diǎn)面積相當(dāng)于減小等效的耦合電容，有助于減小共模電流

4）在Layout設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)各種拓?fù)涞母哳l電流環(huán)路需要了然于心。高頻電流環(huán)路存在于開(kāi)關(guān)回路和濾波電容之間，電感電流是連續(xù)的三角波波形，相對(duì)而言不是關(guān)注的重點(diǎn)。高頻電流環(huán)路主要存在于電流切換的支路，開(kāi)關(guān)管和連接在開(kāi)關(guān)端兩端的電容組成了高頻電流回路。

圖12 各種拓?fù)涞母哳l電流環(huán)路

接著，減少高頻電流回路面積是設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注和采取的措施，以BUCK為例：

a）盡量使用同步Buck方案減少高頻電流回路面積。

b）輸入電容靠近開(kāi)關(guān)管放置。電容要盡可能的靠近開(kāi)關(guān)管，同步buck芯片的輸入電容要靠近芯片放置。

圖13 不同的電容放置方法導(dǎo)致，高頻環(huán)路的環(huán)路大小不一樣，環(huán)路越小，磁場(chǎng)能量越小

c）芯片內(nèi)部集成電容，通過(guò)芯片內(nèi)部集成電容的方式，進(jìn)一步減小電容，Linear和MPS已有相應(yīng)的方案。芯片集成電感對(duì)EMI有巨大的幫助，可以極大的減小近場(chǎng)磁場(chǎng)能量，對(duì)傳導(dǎo)和輻射都有很好的改善。

圖14 MPS集成電容的電源方案的EMC測(cè)試

d）對(duì)稱(chēng)放置輸入電容抵消磁場(chǎng)：

圖15 采用對(duì)稱(chēng)電容設(shè)計(jì)的電路，磁場(chǎng)抵消后輻射能量減弱

e）高頻電流環(huán)路底層完整PCB鋪銅

減少電磁干擾最有效和性?xún)r(jià)比最高的方法是覆銅，但是必須盡可能保證覆地層的完整性。切記，低頻時(shí)的返回電流總是試圖按照最短的直線路徑流動(dòng)。但高頻時(shí)的返回電流（或開(kāi)關(guān)波形中的高次諧波）總是試圖直接按照自己的前進(jìn)軌跡（在對(duì)面層）流動(dòng)。因此，一旦有機(jī)會(huì)，電流將自動(dòng)按照包圍面積最小的路徑流動(dòng)。該路徑自感最小，回路阻抗最低（回路阻抗在低頻呈阻性，但在高頻段呈感性）。所以，若對(duì)覆地層的分割考慮不周（可能為了方便布線），功率變換器的返回電流就會(huì)被其中的分割線分流，從而在PCB板上形成有效的縫隙天線。

圖16 高頻電流環(huán)路底層完整PCB鋪銅

完整的地平面可以感應(yīng)出電流，并形成相反的磁場(chǎng)來(lái)抵消高頻環(huán)路帶來(lái)的磁場(chǎng)。完整的鋪銅距離高頻環(huán)路越近，對(duì)磁場(chǎng)的削弱作用越強(qiáng)。

圖17 不同距離鋪銅的磁場(chǎng)強(qiáng)度

5）電感挖地會(huì)破壞完整的地

圖18 電感挖地會(huì)破壞完整的地

6）輸入濾波器遠(yuǎn)離高頻電流環(huán)路。

圖19 輸入濾波器遠(yuǎn)離高頻電流環(huán)路

注意，輸入端濾波器位置的擺放，遠(yuǎn)離高頻電流環(huán)路。

7）避免功率地和輸入地的耦合：輸入和輸出電容的地匯集至一點(diǎn)，使得電源模塊是一個(gè)整體。

圖20 避免功率地和輸入地的耦合

04【開(kāi)關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)建議】
（一）、器件選型

改善EMC性能，拓?fù)浜推骷x型很重要，選型恰當(dāng)可“事半功倍”。

選擇恰當(dāng)?shù)耐負(fù)洌?/span>在設(shè)計(jì)系統(tǒng)電源架構(gòu)時(shí)，平衡成本及設(shè)計(jì)難度的前提下，規(guī)避使用EMC性能比較難駕馭的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如SPEIC的EMC性能調(diào)試較有難度。BUCK-BOOST電路在輸入和輸出接近時(shí)，系統(tǒng)也容易不穩(wěn)定。

芯片選型：可以參考下列要點(diǎn)，芯片設(shè)計(jì)難度高，下列要點(diǎn)只是強(qiáng)調(diào)幾個(gè)方面的要點(diǎn)，不是設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，選型需要考慮的因素比較多，譬如成本考量、功能要求、電源架構(gòu)的延續(xù)與繼承，等等。

（1）使用同步類(lèi)型DC/DC芯片

（2）使用高集成度的電源方案，譬如集成MOSFET的Buck Convertor，二合一的BUCK，等。

（3）FPWM選項(xiàng)：在電源效率符合要求的前提下，配置為FPWM(Force PWM，強(qiáng)制PWM模式)。電源的輕載模式，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率的不固定，對(duì)EMC性能有較大的副作用。

（4）外部時(shí)鐘同步（External SYNC）選項(xiàng)：可配置外部同步時(shí)鐘的電源芯片，留了一個(gè)通過(guò)軟件轉(zhuǎn)移EMC超標(biāo)頻點(diǎn)的可能。不過(guò)，這個(gè)功能的主要目的是應(yīng)對(duì)電源對(duì)AM模塊的干擾，對(duì)EMC的實(shí)際效果需要根據(jù)實(shí)際情況而定。

（5）展頻(Spread Spectrum)選型：對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)的展頻對(duì)EMC的性能改善有直接的幫助。但是，需要注意的是，展頻選項(xiàng)和第（4）條的外部時(shí)鐘選項(xiàng)是沖突的，外部時(shí)鐘同步的優(yōu)先級(jí)更高。當(dāng)外部時(shí)鐘被使能，展頻(Spread Spectrum)將自動(dòng)關(guān)閉。

外圍器件選型：電源模塊的外圍器件的選型對(duì)EMC的性能影響也很大，特別是電感。在設(shè)計(jì)成本可以被平衡的前提下，盡量選用一體成型的屏蔽電感，避免選用舊式的組裝電感，磁場(chǎng)會(huì)從空隙里滲漏出來(lái)。

磁封膠電感是平衡成本與性能的一個(gè)不錯(cuò)的選擇，但是磁封膠電感的漏磁仍然是比較明顯的。在選擇磁封膠電感時(shí)，可以考量以下兩個(gè)要點(diǎn)：電感的厚度：電感越薄，漏磁的輻射范圍越小，對(duì)EMC性能越有幫助；布線時(shí)注意磁封膠電感的管腳處裸露的銅線對(duì)磁場(chǎng)的泄露。

（二）、原理圖設(shè)計(jì)

1）平衡電源效率及其它要求的前提下，盡可能配置成FPWM(Force PWM）模式；

2）低頻開(kāi)關(guān)頻率有利于EMC性能但是會(huì)導(dǎo)致外圍器件的尺寸，主要是電感和輸出電容；

3）開(kāi)關(guān)頻率的選擇還需要考慮對(duì)AM及其它頻率敏感的模塊的干擾；

4）控制芯片輸入端必須放置Bypass電容，推薦容值為100nF，在Layout時(shí)靠近芯片管腳擺放；

5）預(yù)留Snubber電路，等PCBA回來(lái)時(shí)實(shí)際調(diào)試；

（三）、Layout設(shè)計(jì)

1）首先，識(shí)別大電流回路，包括輸入部分的大電流回路和輸出部分的大電流回路。大電流流經(jīng)的路徑一般會(huì)注意的，比如鋪設(shè)電源平面，加粗走線，等等。

在這些常規(guī)操作之外，比較容易忽視的是回流路徑（俗稱(chēng)“地”）的處理，這像一個(gè)城市的下水道，不呈現(xiàn)在面上的設(shè)計(jì)才是真的考驗(yàn)。關(guān)于地的設(shè)計(jì)，后續(xù)細(xì)述。

2）接著，保護(hù)好敏感信號(hào)，譬如環(huán)路補(bǔ)償電路、電壓反饋，等。在復(fù)雜的電源設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)規(guī)格書(shū)的建議并在它的指導(dǎo)之下把敏感信號(hào)進(jìn)行分地。這里所謂的“分地”是指把敏感信號(hào)的回流路徑連接到一起，然后統(tǒng)一接入功率地。

注意：保證電源模塊的地平面完整，不要進(jìn)行人為割裂，譬如這是信號(hào)地平面，這是功率地平面，不但是一廂情愿，而且容易弄巧成拙，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電源里的噪音包括開(kāi)關(guān)信號(hào)的噪音以及電感的漏磁，都需要盡可能完整的地平面來(lái)吸收，所以地平面不能割裂。

3）確保大電流回路的面積最小，高頻di/dt回路是大電流回路之中最關(guān)鍵的一環(huán)，所以?xún)?yōu)先保證高頻di/dt回路的面積最小。Buck電路的高頻di/dt回路是輸入回路，Boost電路的高頻di/dt是輸出回路。

4）高頻dv/dt節(jié)點(diǎn)是電感與控制芯片或者M(jìn)OSFET相連接的那個(gè)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的高頻dv/dt會(huì)耦合到機(jī)殼或散熱片，通過(guò)機(jī)殼將一部電“漏走”，導(dǎo)致共模噪音。

5）確保Bypass電容（~100nF）靠近放置于控制芯片的電源輸入管腳處，并且在同一面，因?yàn)檫^(guò)孔會(huì)產(chǎn)生寄生電感，從而引起過(guò)沖，可能導(dǎo)致芯片工作異常。

6）Snubber電路靠近控制芯片的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。如果是異步拓?fù)洌琒nubber電路靠近肖特基二極管；如果是功率MOSFET是外置的，Snubber電路靠近MOSFET。