理解车用开关转换器中的 EMI 问题

简介

快速开关电源转换器应用广泛，能为多个市场中的各类产品提供高效转换。然而，快速开关时间可能会因为电磁干扰 (EMI) 而产生问题。

由于快速开关，电压和电流波形的上升沿和下降沿变化更快。急剧的变化会在高频下产生大量能量，成为开关模式电源供应中 EMI 的主要来源。这种高频能量会在电源供应的谐振腔内产生振铃。

EMI 行为需符合监管要求，这取决于产品应用类型，而且汽车、消费和工业市场的要求也各不相同。为了符合监管要求，通常需要 EMI 滤波，这会在整体系统中占用大量空间、体积和成本，因此必须了解适用于不同产品应用的标准。

本文首先讲解开关转换器中 EMI 的来源和类型，然后介绍工业市场和汽车市场产品监管标准差异，最后讨论 Diodes 公司使用的技术，使其 DC-DC 开关转换器符合严格的汽车标准。

开关转换器中的 EMI

EMI 发射有两种类型：传导和辐射。传导发射通过连接到电源转换器的电线和走线进行。由于噪声集中在电路中的特定端子或接头，因此在设计初期采用良好的电路板配置和滤波器设计，能确保符合传导发射要求。

辐射发射问题则更加棘手。PCB 上所有负载电流的器件都会辐射电磁场，电路板上的每条走线都是天线，每块铺铜平面都是谐振器。因此，只有纯正弦波或直流电压才不会在整个信号频谱上产生噪声。

电源供应设计人员只有在测试系统后，才能了解辐射发射的危害程度，并且只有在设计完成后，才能进行辐射发射测试。

为了减轻 EMI，可使用滤波器衰减特定频率下的信号强度。加装金属和电磁屏蔽罩有助于衰减部分辐射发射，而铁氧体磁珠和其他类型的滤波器则有助于减少 PCB 走线的传导发射。EMI 虽然无法完全消除，但可以衰减至不干扰其他通信或数字元器件的程度。

传导发射 EMI 标准

多个管理机构监管由设备产生的传导和辐射发射可接受程度，从而维持电磁兼容性 (EMC)。

针对消费市场，在欧盟境内用于通信和 IT 终端设备的供电产品应符合欧洲发射标准 CISPR 32/EN 55032。该标准适用于多媒体设备，并已生效成为协调 EMC 规范标准。

针对工业、科学和医疗 (ISM) 射频 (RF) 的 EMI，国际产品标准为 CISPR 11，其中还有专门针对部分工业终端设备的系统级EMC 测试标准。例如，IEC 61131-2 定义的发射要求，适用于工厂自动化和流程控制应用中广泛使用的可编程逻辑控制器 (PLC)。

对于汽车电子产品设计人员而言，CISPR 25 详细说明了相关传导发射测试。此国际标准适用于汽车元器件和模块，并根据接地配置，使用一个或两个5µH/50Ω人工网络进行测量。

该标准“保护车载接收器”不受特定频段下 150kHz 至 108MHz 频率范围内测量的传导噪声影响。这些频率范围分布在 AM 广播、FM 广播和移动服务频段中，如图 1 所示。

图 1：CISPR 25 第 4 类与第 5 类传导发射限制

CISPR 25 规定了峰值 (PK)、准峰值 (QP) 和平均值 (AVG) 信号检测器的传导发射限制。表 1 列出了第 1 类至第 5 类的限制。CISPR 25 中最严格的要求为第 5 类。这些限制相当具有挑战性，特别是 VHF 和 FM 频段 (68MHz 至 108MHz) 中的 18dBµV 平均值 (或 38dBµV 峰值) 限制，因为滤波元器件中的寄生效应会降低此频段下的 EMI 滤波衰减效果。

表 1：各类传导 EMI 限制

车用辐射发射 EMI 标准

CISPR 25 包括车辆无线电接收标准，因此对各种无线电服务频段定义了限制。该标准适用于元器件或模块发射测量，以及使用车内天线进行的整车发射测试。

图 2 显示汽车产品应用元器件/模块使用峰值 (PK) 和 AVG 检测器的第 5 类辐射发射限制。最低测量频率针对 150kHz 至 300kHz 的欧洲长波 (LW) 广播频段，最高频率为 2.5GHz (蓝牙和 Wi-Fi 传输)。使用标称输出阻抗为50Ω的线性极化电场天线进行测量。

CISPR 25 的辐射发射测试标准比 FCC 或 CISPR 22 (适用于消费产品) 更加严格，接收器与待测设备 (DUT) 距离为 1 米，而 CISPR 22 则为 10 米。

图 2：使用内衬吸波材料屏蔽外壳 (ALSE) 测试的 CISPR 25 第 5 类辐射限制

适用汽车产品应用的 DC-DC 降压转换器

让我们来看一个高速电源转换器的实际例子，了解该转换器如何符合汽车领域的 EMC 标准。AP66x00Q/AP64x03Q 3A DC-DC 降压转换器，设计用于和符合汽车标准的理想二极管 MOSFET 控制器 AP74700Q 搭配使用。

AP74700Q 支持 3.2V 到 65V 的宽广输入工作范围，能够控制许多常见的直流电压轨，例如 12V、24V 或更高的汽车电池系统。外接 N 通道功率 MOSFET (例如AP66x00Q/AP64x03Q)时，可在单向电源路径上和反向电压情况下提供低损耗 20mV 正向电压降整流器。

Diodes 公司的 DDB103R3 示范电路板为上述元器件提供简单易用的评估系统。板上包括 AP74700Q、AP66x00Q/AP64x03Q，以及一个 EMI 输入滤波器 (详见图 3)。电路板展示了一个系统级解决方案，具有反向电压保护、ISO 7637-2 瞬态脉冲保护 (使用适当的 TVS)、符合 CISPR 25 第 5 类标准的 EMI 滤波，以及 DC-DC 降压转换器。

图 3：DDB103R3 示范电路板

示范电路板的输入滤波器包含一个共模扼流圈，两侧接有电容器，形成 Pi 配置，并串联一个包含电感器和电容器的 LC 低通滤波器。这一组合使电路板符合 CISPR 25 第 5 类标准。

AP66x00Q/AP64x03Q 集成功率 MOSFET 开关 (AP66300Q 的高侧为 120mΩ、低侧为 55mΩ，AP66200Q 的高侧为 185mΩ、低侧为 80mΩ)，提供高效降压 DC-DC 转换。

此外，器件的输出级经过优化，可减少 EMI。例如专门的栅极驱动器方案，可在不牺牲 MOSFET 导通和关断时间的情况下，抑制开关节点振铃，从而减少 MOSFET 开关引起的高频辐射 EMI 噪声。

已使用 DDB103R3 电路板对 AP66x00Q/AP64x03Q 进行 EMI 测试，确保符合传导和辐射发射的 CISPR 25 第 5 类限制。图 4 显示 AP66x00Q/AP64x03Q 在 500kHz 下开关的测试板电路图。

图 4：DDB103R3 示范电路板电路图

测试期间，较高的负载会导致更多的 EMI，但这符合预期。即便使用阶段滤波器，待测设备 (DUT) 有时仍需通过屏蔽才能消除所有产生的噪声，才能符合 EMI 限制。建议将屏蔽层连接至 0V，从而实现最佳 EMI 性能。

结论

如今快速开关转换器会导致传导和辐射 EMI 的问题，因此必须小心谨慎，确保电源系统符合相关的 EMC 标准。

CISPR 25 第 5 类是最严格的标准，规定了汽车应用产品的标准。即便是精心设计的开关转换器，如果未采用多级滤波和屏蔽技术，也无法满足此标准。