揭秘开关电源设计中如何减小EMI

开关电源设计中减小EMI(电磁干扰)的核心方法包括优化开关频率、采用软开关技术、合理布局PCB、使用滤波器和屏蔽措施等。以下是具体措施：

优化开关频率

选择避开传导测试频段(如150kHz-30MHz)的开关频率，例如130kHz。 ‌

采用频率抖动技术分散能量，降低低频段EMI。 ‌

降低开关速度与寄生参数影响

降低开关速度以减小di/dt和dv/dt，抑制高频EMI。 ‌

优化PCB布局，缩短高频电流回路面积，减少寄生电容和电感。 ‌

软开关与宽禁带器件

采用零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)技术，减少开关损耗和干扰。 ‌

使用碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)等宽禁带半导体器件，降低开关噪声。 ‌

滤波与屏蔽

输入/输出端加装EMC滤波器，抑制传导干扰。 ‌

对高频变压器等元件加装铜箔屏蔽罩并接地，减少辐射干扰。 ‌

元件选型与缓冲电路

选用低反向恢复二极管(如肖特基二极管)和低ESR/ESL电容。 ‌

在二极管两端并联RC吸收电路，抑制反向恢复电流产生的干扰。 ‌

布局与接地

分区布局电源电路，隔离噪声源与敏感元件。 ‌

采用独立地线和电源线，避免地线回路干扰。 ‌

电磁干扰，简称EMI，是指电磁波在空间中传播时，对其他电子设备或系统产生的不良影响。这种影响可能导致设备性能下降、数据传输错误，甚至设备完全失效。因此，了解并掌握降低EMI的策略至关重要。

电磁干扰，简称EMI，是指系统中的电磁噪声通过辐射或感应方式对其他电子设备或系统产生的不良影响。这种影响在许多电磁电路组件中都很常见，而直流电机便是其中之一。它们常常成为潜在的噪声源，能够产生共模电流，进而导致设备性能下降、数据传输错误，甚至系统完全失效。因此，了解并采取措施降低电磁干扰显得尤为重要。

在设计开关电源时，电磁干扰(EMI)是一个不可忽视的问题。随着越来越多的应用需要满足EMI标准以获得商业转售批准，如何有效降低EMI成为了关键。开关电源中的电子开关会产生EMI，这些干扰可能通过辐射方式传播。为了深入了解这一问题并找到解决方案，本文将探讨开关电源中EMI的来源，并介绍减轻EMI的方法或技术。同时，我们还将探讨电源模块如何助力降低EMI。

首先，我们必须明确开关电源中EMI的来源。交流电在电导体中流动时，会依据麦克斯韦方程组产生电磁场。这种场效应不仅存在于每个电导体中，还可能形成振荡电路，从而以特定频率将电磁能辐射到空间中。这种振荡电路既可能发射电磁能，也可能接收电磁能，类似于天线的功能。然而，并非所有应用都希望或需要这种天线效应，因为它可能会对其他应用产生干扰，例如影响AM频段。这种干扰被称为EMI，对开关电源的功能和性能构成了挑战。

为了应对这一挑战，我们需要采取措施最大限度地减少EMI源。国际无线电干扰特别委员会(CISPR)制定了一系列标准，如CISPR 25和CISPR 22，为不同应用提供了指导。那么，如何有效地降低电源设计的辐射EMI呢?一种方法是使用金属对开关电源进行全面屏蔽，但这种方法在许多应用中可能因成本或空间限制而不可行。另一种更实用的方法是优化和减少EMI源。

在探讨降低EMI的方法时，我们特别关注了减小布局中的电流环路。电流环路是产生EMI的一个重要因素，通过优化布局和设计，我们可以有效地减小这些环路，从而降低EMI的水平。这一策略不仅适用于开关电源的设计，也对于提高整个电源系统的性能和可靠性具有重要意义。

综上所述，了解开关电源中EMI的来源并采取相应的降低措施是至关重要的。通过优化设计、减小电流环路以及合理利用电源模块等技术手段，我们可以有效地降低EMI水平，确保开关电源在各种应用中都能稳定、高效地工作。

在开关电源的工作过程中，它们以高速频率(从几百千赫到几兆赫)打开和关闭输入电压，从而实现了电能的高效转换。然而，这一转换过程并非毫无影响，它会产生急剧的电流变化(dI/dt)和电压变化(dV/dt)。根据麦克斯韦方程组，这些变化会激发出交变电磁场。这些磁场以原点为中心，向四周径向扩散，其强度随着距离的增加而逐渐减弱。

合理的元件选择与布局

选择具有低EMI特性的元件，如低噪声放大器、滤波器等，并使用带有屏蔽罩的元件以减少电磁干扰的影响。同时，将高频电路和低频电路分区布局，减少相互影响，高噪声电路和敏感电路尽量远离。

走线优化

关键信号线应尽量短和直，避免形成大的回路面积。高速信号线应采用差分走线，以减少共模干扰。走线时，应使用45°折线而不是90°折线，以减少高频信号对外的发射与耦合。

铺铜处理

在PCB的关键区域铺设大面积的接地铜箔，以提供一个良好的低阻抗地平面，有助于减小信号间的干扰。

滤波和去耦

在电源输入端和关键节点添加滤波电路，如LC滤波器、铁氧体磁珠等，可以有效抑制高频噪声。在每个IC的电源引脚附近放置去耦电容，通常选择0.1µF和100nF的电容组合来过滤不同频段的噪声。

接地设计

在多层PCB中，确保至少有一层完整的地平面，以提供良好的EMI抑制效果。对于不同信号采取不同接地方式，避免把所有接地采取同一接地点。

屏蔽措施

使用金属屏蔽盒包裹高频电路，防止其对外部产生电磁辐射。对于长距离传输的关键信号，可以使用屏蔽电缆以减少外界干扰。

时序控制和同步

尽量使用同步时钟以减少不同电路块之间的相位差异，降低电磁干扰。控制高速开关信号的上升和下降时间，避免尖锐的边沿产生高频噪声。

电感和电容的布局

电感的寄生并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好，以减少寄生电容对EMI的影响。旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，多个电容并联能改善电容的阻抗特性。

高频环路的面积

高频环路的面积应尽可能减小，以减少辐射EMI的水平。

过孔放置

过孔放置不应破坏高频电流在地层上的路径，以保持地层的完整性，减少干扰。

通过上述布线技巧，我们可以在设计阶段就有效降低开关电源的EMI，提高电源的稳定性和可靠性。这些技巧不仅有助于满足电磁兼容性标准，还能提升产品的整体性能。

电子设备在运作过程中，常常会受到电磁波的干扰，导致信号不稳定乃至设备故障。在PCB设计领域，如何有效减少这些干扰成为了核心议题。本文将深入探讨PCB设计中的多种抗干扰技术，并结合实用的设计规则，如3W原则和20H规则，以助您在实际设计中更好地应对电磁干扰(EMI)问题。

电磁干扰的根源与影响

PCB设计中的电磁干扰主要源自三个方面：辐射干扰、传导干扰以及共模干扰。辐射干扰指电路中的高频信号通过PCB布线及元器件向外发射电磁波，从而干扰周边电子设备;传导干扰则是通过电源线、信号线、地线等路径在电路板内传输的干扰;而共模干扰则多发生在多条信号线之间的噪声耦合，通常与共地或接地不良有关。这些干扰不仅损害PCB本身的性能，还可能对其他设备造成不利影响。因此，在PCB设计过程中采取适当的抗干扰措施显得尤为重要。

PCB抗干扰技术的核心设计策略

精心的布局与走线设计

1 分区布局

在PCB设计中，根据电路的不同功能进行合理的元器件分区布局是至关重要的。通常，PCB会被划分为电源区、信号处理区、模拟电路区和数字电路区。为了降低数字电路产生的高频噪声对模拟信号的干扰，这些区域应当被恰当分隔。同时，在电源区和敏感区域之间加入屏蔽层或滤波元件，可以进一步强化电磁干扰的降低效果。

2 信号走线的优化策略

在PCB设计中，信号走线的优化是抗干扰技术的关键一环。为减少信号间的耦合干扰，应尽可能避免长距离并行走线，特别是对于高速信号线，其布局不当极易产生电磁辐射，进而干扰其他信号。此外，应用3W原则也是优化信号走线的重要手段。3W原则强调，信号线与信号线之间的距离应至少为3倍的信号线宽度。遵循这一原则，可以显著降低信号线间的电磁耦合，从而减少干扰的传导。

3 差分信号与等长走线

对于高速差分信号，如USB、HDMI等，其传输效果的关键在于差分对的两条信号线是否紧密平行且等长。差分信号的独特之处在于，两条线上的噪声能够相互抵消，从而增强了抗干扰能力。然而，若两条信号线的长度存在差异，将会导致时序偏差，进而损害信号的完整性。因此，在设计和布局时，必须确保差分信号的等长设计得到严格遵守。

接地设计与20H规则

1 多点接地与单点接地

在接地策略上，低频电路常采用单点接地法，即所有电路的接地点都汇集到一个共同的接地参考点上。这种方法有助于减少接地环路噪声的影响。而对于高频电路，则更适合采用多点接地方式，因为它能有效缩短高频电流的回流路径，进而降低因接地不良而产生的高频辐射噪声。

2 20H规则的应用

20H规则是电源层与地层设计时的重要指南。它规定电源层的边缘应向内缩进20倍的层间距(H)，以减少电源层边缘的电磁辐射干扰。例如，当电源层与地层的距离设定为1mm时，电源层边缘应向内缩进20mm。这一设计原则对于降低电磁干扰至关重要。

屏蔽与滤波技术

1 电磁屏蔽的实施

在PCB设计中，特别是对于射频(RF)电路或高速数字电路，电磁屏蔽是一种有效的干扰隔离措施。通过使用金属屏蔽罩或屏蔽层，可以有效地阻隔外界电磁干扰，同时防止高频信号向外辐射，确保周围电路的稳定性。

2 电源滤波设计

电源是电路中的主要干扰源之一。为了抑制高频噪声，可以在电源线上加装去耦电容。通常，在电源输入处会放置适当容量的电容组合，如1μF和10μF的电容，以滤除高频和低频噪声。此外，还可以通过增加磁珠或滤波电感来进一步降低高频干扰的影响。

PCB的层数与板厚设计

1 增加PCB层数

在高速电路设计中，采用多层PCB是降低干扰的重要手段。通过为电源、信号和接地分别设置专门的层，可以显著减少层间的耦合干扰，并确保信号的完整性。此外，多层设计还能增强电源和平面间的分布电容，从而有助于抑制高频噪声。

2 控制PCB板厚与尺寸

合理控制PCB的板厚和尺寸也是减少电磁辐射干扰的关键。较厚的板材能提供更佳的电磁屏蔽效果，特别是在高频电路中，板厚对干扰抑制能力的影响尤为显著。同时，恰当的板尺寸能够缩短信号线的长度，从而降低电磁干扰的风险。

关键信号的保护措施

1 关键信号线的屏蔽

对于特别敏感或高速的信号，PCB设计中应采取屏蔽措施。例如，可以将关键信号线与接地线平行布线，利用地线来屏蔽电磁辐射。

2 信号终端匹配

高速信号在传输过程中可能产生反射，影响信号的完整性。因此，对于高速信号线，应加入适当的终端匹配电阻，以消除反射并减小电磁干扰。