輕鬆教你移動電源順利通過EMI測試

2020-11-25 電子發燒友

輕鬆教你移動電源順利通過EMI測試

佚名 發表於 2018-07-13 10:37:27

  設計一個移動電源的一個關鍵設計挑戰是通過EMI測試。電子工程師經常擔心EMI測試失敗。若電路EMI測試多次失敗，這將是一場噩夢。您將不得不夜以繼日地在EMI實驗室工作來解決問題，避免產品推出延遲。對於諸如移動電源的消費類產品，設計周期短，而EMI認證限制又嚴格，因此您想添加足夠的EMI濾波器順利通過EMI測試，但您又不想增加空間，也不想在電路方面增加過多成本。這似乎很難兼顧兩者。

  TI design低輻射EMI升壓轉換器參考設計（PMP9778）提供了這樣一個解決方案。它可以支持2.7 - 4.4V輸入電壓、5V / 3A、9V / 2A和12V / 1.5A的輸出功率，且只適合移動電源應用程式。通過布置和布局的優化，此TI設計能獲得的裕量比在EN55022和CISPR22 B級輻射測試中高出6分貝。讓我們來看看設計過程。

 

  確定關鍵電流通路

  EMI從電流變化（di / dt）循環的高瞬時速率開始。因此，我們應在設計之初就區分高di / dt關鍵路徑。為了實現這些目標，了解開關電源中的電流傳導路徑和信號流是重要的。

  圖1所示為升壓轉換器的拓撲結構和臨界電流路徑。當S2閉合，S1打開時，交流電流流經藍色環路。當S1閉合，S2打開時，交流電流流經綠色環路。因此，電流流經輸入電容器Cin，且電感器L是一個連續電流，而電流流經S2、S1，且輸出電容器Cout是脈動電流（紅色環路）。因此，我們定義紅色環路為臨界電流路徑。此路徑具有最高的EMI能量。我們在布置期間，應儘量減少由它包圍的區域。

圖1. 升壓轉換器的臨界電流路徑

 

  最小化高di / dt路徑的環路面積

  圖2所示為TPS61088的引腳配置。圖3所示為TPS61088臨界電流路徑的布局示例。NC引腳表示設備內部沒有連接。因此，他們可連接到PGND。從電氣角度講，將兩個NC引腳連接到PGND接地平面有利於散熱，並能降低返迴路徑的阻抗。從EMI角度講，將兩個NC引腳連接到PGND接地平面使得TPS61088的VOUT和PGND平面更接近彼此。這使得輸出電容的布置變得更容易。從圖3可以看出，將一個0603 1-UF（或0402 1-UF）高頻陶瓷電容COUT_HF儘可能靠近VOUT引腳可導致高di / dt環路的面積最小。

圖2. TPS61088引腳配置

 

圖3. TPS61088關鍵路徑布局示例

  來自距接地平面10米距離的高di /di迴路的最大電場強度可通過下面的公式計算：

  圖4所示為使用和不使用COUT_HF的輻射EMI結果。在相同的測試條件下，輻射EMI通過COUT_HF改善了4dBuV/m。

圖4. 帶/不帶COUT_HF的輻射EMI結果

 

  將一個接地平面置於關鍵路徑下

  高跟蹤電感導致輻射EMI差。因為磁場強度與電感成正比。將固定接地平面置於臨界跟蹤的下一層上可以解決此問題。

  表1給出了不同PCB板上的給定跟蹤電感。我們可以看到，對於信號層和接地平面之間0.4 mm絕緣厚度的四層PCB來講，其跟蹤電感比1.2毫米厚的2層PCB的跟蹤電感小得多。因此將距離最短的固定接地平面置於關鍵路徑是降低EMI的最有效的途徑之一。

  圖5所示為2層PCB和4層PCB的輻射EMI結果。根據相同的布局和相同的試驗條件，輻射EMI通過4層PCB可改善10dBuV /m。

圖5. 一個2層PCB和一個4層PCB的輻射EMI結果

 

  添加RC緩衝器

  若輻射水平仍超過要求水平且布局不能再提高，則在TPS61088 SW引腳添加一個RC緩衝器和電源接地有助於降低輻射EMI水平。RC緩衝器應放在儘可能接近開關節點和電源接地（圖6）的位置。它可以有效地抑制SW電壓環，這意味著在振鈴頻率條件下，輻射EMI得以改善。

圖6. RC緩衝器的布置

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