電源轉換器設計中的EMI輻射抑制方法探討

現代消費者比以往任何時候都更熱衷於追求和接受新鮮技術。隨著對智慧型手機、智能手錶、平板電腦和可穿戴健身手環等設備進行更新，他們對每一代新產品的性能預期也都會提升。他們不僅要求功能增強，而且期望設備變得更小、更快，運行時間也要比前代產品更長。

雖然這種對最新產品的強烈欲望推動了科技公司的業務發展，但它也對負責新設計的工程師們帶來了挑戰。為了創建高密度電路並增加運行時間，效率也必須提高。然而，隨著設計中的電子元器件變得越來越小型化和密密麻麻，在電磁幹擾（EMI）相關問題上不偷工減料就顯得愈發重要。

電源轉換

所有的可攜式設備都有一個共同點，就是它們都由某種形式的電池供電。然而，來自電池的電壓不太可能直接為構成產品設計核心的半導體器件所用，因此需要對其進行轉換，將電壓變換（並穩定）到正確的水平。

所謂的「降壓」轉換器已經變得非常流行——它為將電池電壓轉換為穩定的半導體電源提供了一種簡單且更有效的方式。降壓轉換器通過「斬斷」來自電池的直流電壓來改變電平，但是此舉有可能引入EMI相關問題。

雖然EMI話題可能非常複雜，但設計人員在設計大多數降壓轉換器時有許多問題都應當關注：

· 電流迴路的布局

· 元器件放置

· 輸出紋波電壓

· 輸入電容器的選擇

· 輻射EMI抑制

為了減小電源轉換器和相關磁性器件的尺寸，設計人員通常會使用更高的開關頻率。然而，隨著電流變化率（di/dt）的增加，產生EMI的可能性也會增加。為了最大限度地減少這些影響，了解電流如何在元器件之間流動就非常重要。一旦清楚地了解了電流路徑，設計人員就應確保所有的返回電流路徑，尤其是接地走線，儘可能短並且低阻抗。

電流以及所選拓撲結構（此例中為降壓拓撲）在確定元器件布局方面也起著重要作用。

一個關鍵考慮因素是在放置電容器和電感器時要確保電流迴路最短。這樣做時，需要對輸入電源走線進行布線。在此，設計人員應確保使這些走線的電感大於輸入電容器的ESR——這也就解釋了為什麼低ESR的電容器會是不錯之選。

同時，在輸入方面，電容器的選擇也很重要，設計人員不應予以忽視。電容器是電源轉換器的重要組成部分，選擇具有高能量的電容器，如基美電子（KEMET）的KO-CAP聚合物電容器，或低ESR的MLCC器件，是很好的做法。將這兩種類型組合在一起，可以降低紋波電壓並最大限度地減少元器件數量。

選擇輸入電容時，還應記住輸出電流會直接影響輸入紋波電壓。對瞬態電流的要求進行定義可能很艱巨，但它會直接影響輸入電容的選擇，因此是設計過程中的一個重要步驟。

通常，在解決EMI問題時，儘管紋波電壓較大極有可能引起EMI問題，但電流卻是首要考慮因素。根據歐姆定律，通過功率電感器的交流電流流入輸出電容器，遇到ESR會產生紋波電壓。因此，選擇具有低ESR的輸出電容可降低輸出紋波電壓。

傳導EMI通常是降壓轉換器設計中最常見的問題。然而，特別是在密集排布的設計，例如現代消費類設備中，輻射EMI也是一個問題。雖然良好的布局和布線設計等技術可以減少這個問題，但它無法完全避免。

鐵氧體器件，例如基美電子的Flex Suppressor（柔性抑制片）產品，對於創建電路內屏障非常有用，其可有效地將敏感電路區域與可能耦合到不期望輻射噪聲的其他部分相隔離。

高效設計

解決了潛在的噪聲問題後，就需要考慮降壓轉換器設計的整體效率。更高效的設計可以實現更長的運行時間；由於發熱量減少，元器件也可以更緊密地放置在一起，這樣，設計人員就能夠靈活地縮短走線，從而解決EMI問題。

電源工程師可使用降壓控制器IC和精心設計的功率電感器來最大限度地降低損耗並提高效率。選擇能夠在高頻下工作並能提供大電流飽和特性和低直流電阻（DCR）的電感器，對於高效降壓轉換器設計至關重要。

基美電子的METCOM新系列電感器可有效支持更高效的降壓轉換器開發，並適用於包括EMI濾波在內的其他電源相關應用。金屬複合磁芯具有大電流飽和特性，可使電感器在大紋波電流下保持運作。高磁導率可實現低DCR，這樣就可在大電流工作期間顯著減少自發熱，從而提高系統效率並減少對散熱設計考慮的需要。

METCOM電感器具有屏蔽結構，因此可將大部分磁通量控制在電感器體內，從而實現更高效的工作。這樣就可增強輻射EMI性能，並顯著降低與附近電路區域的RF耦合。

基美電子新型電感器的取值範圍從0.10mH到47.00mH，DCR值低至1.5mW。它們可以處理高達35.4A的電流，工作溫度在-55℃至+155℃之間。其封裝面積小至5.3mm×5.00mm，高度低至2.0mm，非常適合現代電源應用中的密集電路使用。

本文小結

在這個互聯時代，我們每天都離不開各種高科技設備，而電源轉換對於提供這些產品來說至關重要。設計人員要想創建更密集的設計，提高效率和控制EMI是其關鍵挑戰。但是，若能遵循良好的設計實踐並仔細選擇元器件，這些挑戰就能迎刃而解。

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