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解決EMI問題,需從源頭入手

2021-07-15 來源:EEWORLD

您是否會在設計之初就考慮EMI的問題?還是說需要通過認證時才會測試?降低 EMI 措施是否貫穿您整個產品設計周期?


電子設備的廣泛應用和發展,必然導致它們在其周圍空間產生的電磁場電平的不斷增加。1881年英國科學家希維賽德發表了《論干擾》的文章,從此拉開了電磁干擾問題研究的序幕。1934年6月28日至30日,國際無線電干擾特別委員會(CISPR)在巴黎舉行了第一次正式會議,從此開始對電磁干擾及其控制技術進行有組織的研究。CISPR的各項標準,成為了全球各個國家電磁干擾指標規定的重要依據。


電磁干擾需提高重視


蘋果近日在其官網上發布公告稱,iPhone 12系列與MagSafe配件會干擾醫療設備,因此建議醫療植入器械攜帶者將iPhone遠離心臟處15厘米以上。


時至今日,電磁干擾問題始終是電子設備需要關注的一個焦點。不僅是在消費電子中,在電磁環境更為復雜的汽車、工業等應用中更是如此,這類EMI源頭往往都是在電路內部,而EMI最終會影響音頻設備、自動門控制器以及其他意想不到的結果。


絕大部分電子電氣設備工作時都會有周期性的或者間歇性的電壓電流變化,比如開關電源工作會有固定的一個開關頻率,MOS管開通和關斷脈沖的產生會伴隨其上升沿和下降沿(di/dt),并帶來非常豐富的諧波;除了應用于各種各樣場合的AC-DC、DC-DC開關電源、還有一些逆變器(光伏、電機控制等)的PWM信號,都是EMI問題產生的干擾源。除此之外,印刷電路板、時鐘電路、振蕩器、數字電路和處理器也會成為電路內部 EMI 源。對電流執行開關操作的一些機電裝置,在關鍵操作期間會產生 EMI。這些源頭在某些頻率集中產生一些電磁能量,通過相應的電路、天線或等效天線發射到周圍環境之中。這些EMI 信號的頻譜成分和強度,決定了它是否會對敏感型電路產生影響。


降低 EMI 的影響日益成為系統設計的關鍵考慮因素,但是對于一部分工程師來說,并不將其放在設計過程的首要考慮位置,只有需要通過認證時才會測試。對此,德州儀器(TI)技術委員會杰出委員,Kilby實驗室電源、隔離、電機設計經理Yogesh Ramadass分析道:“原因之一,在設計時EMI并未定義為系統關鍵規范指標。其次,即使定義了關鍵 EMI規范指標,工程師由于缺少合適的仿真工具和建模方法來預測EMI,而導致在后期測試中才發現EMI的問題。”


而工程師后期發現問題再進行相應的整改時,解決 EMI 問題可能會更加困難、耗費大量時間和資金成本。實際上針對EMI的整改異常繁瑣,許多中小型公司自身不具備這類條件,大多數都要選擇第三方進行整改,如果整改措施改動較大,對于客戶的咨詢費用、設計時間、BOM成本等都將是一筆不小的開銷。鑒于 EMI 可能在后期嚴重阻礙設計進度,因此必須在設計之初就考慮EMI問題,并將其指標貫穿整個產品設計周期。


如何從根源解決EMI問題


針對部分電磁敏感的設備或系統來說,通常會采用LDO而不是開關電源,從而限制EMI,但是這又會導致效率下降等不利影響。有沒有可以顯著解決EMI問題,并且無需太多額外設計開銷,同時又可以采用高效率開關電源的解決方案呢?


“解決 EMI 相關問題的關鍵是從源頭入手。”Ramadass說道。


EMI 給工程師的設計帶來了巨大挑戰,但電路板布局限制以及額外設計的屏蔽等因素并不意味著工程師沒有其他選擇,而實際上通過選擇具有EMI緩解技術的芯片,可以從源頭改善EMI。這也和媒體近期在訪談工程師提到的,他們最常用的降低 EMI 的手段是選擇低 EMI 器件,不謀而合。


EMI 問題有多種形式,具體取決于受影響的頻段。為有效緩解 EMI 問題,德州儀器 (TI) 采用了一套綜合技術,即獨特的 IC 設計和封裝技術,可根據特定頻段解決 EMI 的主要來源。這有助于避免在其他頻段上出現次優或無效的一刀切解決方案。


此外,為了從源頭上解決問題,工程師在設計時必須擁有良好的仿真和建模方法來預測 EMI。 TI 獨特的 EMI 建模工具使工程師能夠像設計高效率、高功率密度性能等一樣設計具有出色 EMI 性能的電源轉換器。


Ramadass具體介紹了TI的綜合技術,如圖所示:


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將 EMI 問題分解為特定頻段(低頻和高頻),就可以更有針對性地來解決這些特定頻率的每一個EMI問題。


對于低頻問題 (<30 MHz),TI 的電源轉換器使用先進的擴頻和有源濾波技術來減輕 PCB 上所需的無源濾波負擔,以滿足并超越標準。這有助于終端系統變得更小、成本更低,同時滿足其 EMI 需求。


而對于與更高頻率(FM 頻段和 >100 MHz 頻段)相關的問題,TI 的電源轉換器利用各種柵極驅動器、封裝和無源集成技術從源頭上最大限度地減少 EMI 問題。這有助于解決傳統系統中通常需要的一些難以調試的接地和屏蔽問題。


由于IC、組件和 PCB 設計之間的相互作用,“即使從源頭解決 EMI 之后,系統工程師在組裝終端設備時還需要考慮適當的 EMI 指標,才能更好地發揮系統的功能。”Ramadass補充道。


集成有源濾波器和雙隨機擴頻技術


TI 提供多種功能和技術來降低所有相關頻段的 EMI,其創新的技術優勢主要表現在:

改進的濾波器尺寸和成本:先進的擴頻和有源 EMI 抑制技術可降低產生的 EMI 的影響;

減少設計時間并降低設計復雜性:覆晶封裝、電容器集成和先進的柵極驅動器技術可從根本上降低源極產生的噪聲。


TI 在2021年新推出的LM25149-Q1,是TI首款集成有源濾波器的芯片。相比外置有源濾波器,整體面積可縮小50%以上。與標準無源濾波器相比,有源濾波器可以提供更高水平的EMI衰減和更小尺寸的π濾波器。有源濾波器具有增益高、帶寬寬、輸出阻抗低、可以產生和吸收電流,檢測直流總線上的任何擾動,并注入與噪聲源相反的信號從而抵消干擾。LM25149-Q1可在負載電流>40%的時候自動啟動有源電磁干擾濾波器,負載電流<30%時候則會自動禁用有源濾波器。


另外,LM25149-Q1使用了雙隨機擴頻技術,將低頻的三角調制與高頻的偽隨機調制相結合,分別提高了低頻段和高頻段的EMI性能。該產品除了在EMI上具有顯著優勢之外,在調整率、效率、溫升及紋波等性能指標上都有著出色表現。


除此之外,包括LMQ61460集成了旁路電容器,TPS25850-Q1利用了擴頻頻率抖動技術,LM5157-Q1則提供了包括DRSS、外部時鐘同步以及2.2MHz開關功能等,UCC15150集成了專用的變壓器等等,TI針對不同的應用場景,不同的EMI現場,提供各類組合,使工程師可以更有針對性的進行EMI的改善。


總結


“EMI在某些設計中是一個棘手的問題,比如在汽車系統中,諸如信息娛樂、車身電子、ADAS 等。工程師在設計原理圖和繪制版圖時,需要隨時保持警惕。”Ramadass強調


除了汽車電子,工業和個人計算應用的快速發展對更快上市、更具成本效益、更小尺寸電子產品的需求也隨之增長,這將不可避免地給EMI提出新的挑戰。需要各種進階的EMI緩解技術,以保證產品設計順利通過業界通用EMI測試。


Ramadass認為,工程師應該準備好以應對EMI挑戰。對于不經常處理 EMI 問題的工程師來說,也要了解 EMI 的構成以及 EMI 的產生方式和原因,還要充分了解終端設備制造商需要滿足的各種標準。為此,TI也提供了許多與 EMI 相關的資源和技術內容,包括白皮書、培訓視頻等多種形式,供工程師學習交流。



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