技术干货 | 解决 EMI 问题，需从源头入手
时间：2021-08-19 16:23:10
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[导读]点击上方蓝字关注我们！您是否会在设计之初就考虑EMI的问题？还是说需要通过认证时才会测试？降低EMI措施是否贯穿您整个产品设计周期？电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加。1881年英国科学家希维赛德发表了《论干扰》的文章，从此拉开了电磁干扰...
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您是否会在设计之初就考虑 EMI 的问题？还是说需要通过认证时才会测试？降低 EMI 措施是否贯穿您整个产品设计周期？
电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加。1881 年英国科学家希维赛德发表了《论干扰》的文章，从此拉开了电磁干扰问题研究的序幕。1934 年 6 月 28 日至 30 日，国际无线电干扰特别委员会（CISPR）在巴黎举行了第一次正式会议，从此开始对电磁干扰及其控制技术进行有组织的研究。CISPR 的各项标准，成为了全球各个国家电磁干扰指标规定的重要依据。
电磁干扰需提高重视近日，某手机品牌发布公告称，其最新产品系列与配件会干扰医疗设备，因此建议医疗植入器械携带者将手机远离心脏处 15 厘米以上。
时至今日，电磁干扰问题始终是电子设备需要关注的一个焦点。不仅是在消费电子中，在电磁环境更为复杂的汽车、工业等应用中更是如此，这类 EMI 源头往往都是在电路内部，而 EMI 最终会影响音频设备、自动门控制器以及其他意想不到的结果。
绝大部分电子电气设备工作时都会有周期性的或者间歇性的电压电流变化，比如开关电源工作会有固定的一个开关频率，MOS 管开通和关断脉冲的产生会伴随其上升沿和下降沿（di/dt），并带来非常丰富的谐波；除了应用于各种各样场合的 AC-DC、DC-DC 开关电源、还有一些逆变器（光伏、电机控制等）的 PWM 信号，都是 EMI 问题产生的干扰源。除此之外，印刷电路板、时钟电路、振荡器、数字电路和处理器也会成为电路内部 EMI 源。对电流执行开关操作的一些机电装置，在关键操作期间会产生 EMI。这些源头在某些频率集中产生一些电磁能量，通过相应的电路、天线或等效天线发射到周围环境之中。这些 EMI 信号的频谱成分和强度，决定了它是否会对敏感型电路产生影响。
降低 EMI 的影响日益成为系统设计的关键考虑因素，但是对于一部分工程师来说，并不将其放在设计过程的首要考虑位置，只有需要通过认证时才会测试。对此，德州仪器 (TI) 技术委员会杰出委员，Kilby 实验室电源、隔离、电机设计经理 Yogesh Ramadass 分析道：“原因之一，在设计时 EMI 并未定义为系统关键规范指标。其次，即使定义了关键 EMI 规范指标，工程师由于缺少合适的仿真工具和建模方法来预测 EMI，而导致在后期测试中才发现 EMI 的问题。”
而工程师后期发现问题再进行相应的整改时，解决 EMI 问题可能会更加困难、耗费大量时间和资金成本。实际上针对 EMI 的整改异常繁琐，许多中小型公司自身不具备这类条件，大多数都要选择第三方进行整改，如果整改措施改动较大，对于客户的咨询费用、设计时间、BOM 成本等都将是一笔不小的开销。鉴于 EMI 可能在后期严重阻碍设计进度，因此必须在设计之初就考虑 EMI 问题，并将其指标贯穿整个产品设计周期。
如何从根源解决EMI问题针对部分电磁敏感的设备或系统来说，通常会采用 LDO 而不是开关电源，从而限制 EMI，但是这又会导致效率下降等不利影响。有没有可以显著解决 EMI 问题，并且无需太多额外设计开销，同时又可以采用高效率开关电源的解决方案呢？
“解决 EMI 相关问题的关键是从源头入手。” Ramadass 说道。
EMI 给工程师的设计带来了巨大挑战，但电路板布局限制以及额外设计的屏蔽等因素并不意味着工程师没有其他选择，而实际上通过选择具有 EMI 缓解技术的芯片，可以从源头改善 EMI。这也和媒体近期在访谈工程师提到的，他们最常用的降低 EMI 的手段是选择低 EMI 器件，不谋而合。
EMI 问题有多种形式，具体取决于受影响的频段。为有效缓解 EMI 问题，德州仪器 (TI) 采用了一套综合技术，即独特的 IC 设计和封装技术，可根据特定频段解决 EMI 的主要来源。这有助于避免在其他频段上出现次优或无效的一刀切解决方案。
此外，为了从源头上解决问题，工程师在设计时必须拥有良好的仿真和建模方法来预测 EMI。TI 独特的 EMI 建模工具webench®使工程师能够像设计高效率、高功率密度性能等一样设计具有出色 EMI 性能的电源转换器。
Ramadass 具体介绍了 TI 的综合技术，如图所示：
将 EMI 问题分解为特定频段（低频和高频），就可以更有针对性地来解决这些特定频率的每一个 EMI 问题。
对于低频问题 (<30 MHz)，TI 的电源转换器使用先进的扩频和有源滤波技术来减轻 PCB 上所需的无源滤波负担，以满足并超越标准。这有助于终端系统变得更小、成本更低，同时满足其 EMI 需求。
而对于与更高频率（FM 频段和 >100 MHz 频段）相关的问题，TI 的电源转换器利用各种栅极驱动器、封装和无源集成技术从源头上最大限度地减少 EMI 问题。这有助于解决传统系统中通常需要的一些难以调试的接地和屏蔽问题。
由于 IC、组件和 PCB 设计之间的相互作用，“即使从源头解决 EMI 之后，系统工程师在组装终端设备时还需要考虑适当的 EMI 指标，才能更好地发挥系统的功能。” Ramadass 补充道。
集成有源滤波器和双随机扩频技术TI 提供多种功能和技术来降低所有相关频段的 EMI，其创新的技术优势主要表现在：
TI 在 2021 年新推出的 LM25149-Q1，是 TI 首款集成有源滤波器的芯片。相比外置有源滤波器，整体面积可缩小 50% 以上。与标准无源滤波器相比，有源滤波器可以提供更高水平的 EMI 衰减和更小尺寸的 π 滤波器。有源滤波器具有增益高、带宽宽、输出阻抗低、可以产生和吸收电流，检测直流总线上的任何扰动，并注入与噪声源相反的信号从而抵消干扰。LM25149-Q1 可在负载电流 >40% 的时候自动启动有源电磁干扰滤波器，负载电流 <30% 时候则会自动禁用有源滤波器。
另外，LM25149-Q1 使用了双随机扩频技术，将低频的三角调制与高频的伪随机调制相结合，分别提高了低频段和高频段的 EMI 性能。该产品除了在 EMI 上具有显著优势之外，在调整率、效率、温升及纹波等性能指标上都有着出色表现。
除此之外，包括 LMQ61460 集成了旁路电容器，TPS25850-Q1 利用了扩频频率抖动技术，LM5157-Q1 则提供了包括 DRSS、外部时钟同步以及 2.2MHz 开关功能等，UCC12050 集成了专用的变压器等等，TI 针对不同的应用场景，不同的 EMI 现场，提供各类组合，使工程师可以更有针对性的进行 EMI 的改善。
总结“EMI 在某些设计中是一个棘手的问题，比如在汽车系统中，诸如信息娱乐、车身电子、ADAS 等。工程师在设计原理图和绘制版图时，需要随时保持警惕。” Ramadass 强调。
除了汽车电子，工业和个人计算应用的快速发展对更快上市、更具成本效益、更小尺寸电子产品的需求也随之增长，这将不可避免地给 EMI 提出新的挑战。需要各种进阶的 EMI 缓解技术，以保证产品设计顺利通过业界通用 EMI 测试。
Ramadass 认为，工程师应该准备好以应对 EMI 挑战。对于不经常处理 EMI 问题的工程师来说，也要了解 EMI 的构成以及 EMI 的产生方式和原因，还要充分了解终端设备制造商需要满足的各种标准。为此，TI 也提供了许多与 EMI 相关的资源和技术内容，包括白皮书、培训视频等多种形式，供工程师学习交流。点击下方视频，看看 TI 如何应对 EMI 挑战？
您是否会在设计之初就考虑 EMI 的问题？还是说需要通过认证时才会测试？降低 EMI 措施是否贯穿您整个产品设计周期？
电子设备的广泛应用和发展，必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加。1881 年英国科学家希维赛德发表了《论干扰》的文章，从此拉开了电磁干扰问题研究的序幕。1934 年 6 月 28 日至 30 日，国际无线电干扰特别委员会（CISPR）在巴黎举行了第一次正式会议，从此开始对电磁干扰及其控制技术进行有组织的研究。CISPR 的各项标准，成为了全球各个国家电磁干扰指标规定的重要依据。
电磁干扰需提高重视近日，某手机品牌发布公告称，其最新产品系列与配件会干扰医疗设备，因此建议医疗植入器械携带者将手机远离心脏处 15 厘米以上。
时至今日，电磁干扰问题始终是电子设备需要关注的一个焦点。不仅是在消费电子中，在电磁环境更为复杂的汽车、工业等应用中更是如此，这类 EMI 源头往往都是在电路内部，而 EMI 最终会影响音频设备、自动门控制器以及其他意想不到的结果。
绝大部分电子电气设备工作时都会有周期性的或者间歇性的电压电流变化，比如开关电源工作会有固定的一个开关频率，MOS 管开通和关断脉冲的产生会伴随其上升沿和下降沿（di/dt），并带来非常丰富的谐波；除了应用于各种各样场合的 AC-DC、DC-DC 开关电源、还有一些逆变器（光伏、电机控制等）的 PWM 信号，都是 EMI 问题产生的干扰源。除此之外，印刷电路板、时钟电路、振荡器、数字电路和处理器也会成为电路内部 EMI 源。对电流执行开关操作的一些机电装置，在关键操作期间会产生 EMI。这些源头在某些频率集中产生一些电磁能量，通过相应的电路、天线或等效天线发射到周围环境之中。这些 EMI 信号的频谱成分和强度，决定了它是否会对敏感型电路产生影响。
降低 EMI 的影响日益成为系统设计的关键考虑因素，但是对于一部分工程师来说，并不将其放在设计过程的首要考虑位置，只有需要通过认证时才会测试。对此，德州仪器 (TI) 技术委员会杰出委员，Kilby 实验室电源、隔离、电机设计经理 Yogesh Ramadass 分析道：“原因之一，在设计时 EMI 并未定义为系统关键规范指标。其次，即使定义了关键 EMI 规范指标，工程师由于缺少合适的仿真工具和建模方法来预测 EMI，而导致在后期测试中才发现 EMI 的问题。”
而工程师后期发现问题再进行相应的整改时，解决 EMI 问题可能会更加困难、耗费大量时间和资金成本。实际上针对 EMI 的整改异常繁琐，许多中小型公司自身不具备这类条件，大多数都要选择第三方进行整改，如果整改措施改动较大，对于客户的咨询费用、设计时间、BOM 成本等都将是一笔不小的开销。鉴于 EMI 可能在后期严重阻碍设计进度，因此必须在设计之初就考虑 EMI 问题，并将其指标贯穿整个产品设计周期。
如何从根源解决EMI问题针对部分电磁敏感的设备或系统来说，通常会采用 LDO 而不是开关电源，从而限制 EMI，但是这又会导致效率下降等不利影响。有没有可以显著解决 EMI 问题，并且无需太多额外设计开销，同时又可以采用高效率开关电源的解决方案呢？
“解决 EMI 相关问题的关键是从源头入手。” Ramadass 说道。
EMI 给工程师的设计带来了巨大挑战，但电路板布局限制以及额外设计的屏蔽等因素并不意味着工程师没有其他选择，而实际上通过选择具有 EMI 缓解技术的芯片，可以从源头改善 EMI。这也和媒体近期在访谈工程师提到的，他们最常用的降低 EMI 的手段是选择低 EMI 器件，不谋而合。
EMI 问题有多种形式，具体取决于受影响的频段。为有效缓解 EMI 问题，德州仪器 (TI) 采用了一套综合技术，即独特的 IC 设计和封装技术，可根据特定频段解决 EMI 的主要来源。这有助于避免在其他频段上出现次优或无效的一刀切解决方案。
此外，为了从源头上解决问题，工程师在设计时必须拥有良好的仿真和建模方法来预测 EMI。TI 独特的 EMI 建模工具webench®使工程师能够像设计高效率、高功率密度性能等一样设计具有出色 EMI 性能的电源转换器。
Ramadass 具体介绍了 TI 的综合技术，如图所示：
将 EMI 问题分解为特定频段（低频和高频），就可以更有针对性地来解决这些特定频率的每一个 EMI 问题。
对于低频问题 (<30 MHz)，TI 的电源转换器使用先进的扩频和有源滤波技术来减轻 PCB 上所需的无源滤波负担，以满足并超越标准。这有助于终端系统变得更小、成本更低，同时满足其 EMI 需求。
而对于与更高频率（FM 频段和 >100 MHz 频段）相关的问题，TI 的电源转换器利用各种栅极驱动器、封装和无源集成技术从源头上最大限度地减少 EMI 问题。这有助于解决传统系统中通常需要的一些难以调试的接地和屏蔽问题。
由于 IC、组件和 PCB 设计之间的相互作用，“即使从源头解决 EMI 之后，系统工程师在组装终端设备时还需要考虑适当的 EMI 指标，才能更好地发挥系统的功能。” Ramadass 补充道。
集成有源滤波器和双随机扩频技术TI 提供多种功能和技术来降低所有相关频段的 EMI，其创新的技术优势主要表现在：
- 改进的滤波器尺寸和成本：先进的扩频和有源 EMI 抑制技术可降低产生的 EMI 的影响；
- 减少设计时间并降低设计复杂性：覆晶封装、电容器集成和先进的栅极驱动器技术可从根本上降低源极产生的噪声。
TI 在 2021 年新推出的 LM25149-Q1，是 TI 首款集成有源滤波器的芯片。相比外置有源滤波器，整体面积可缩小 50% 以上。与标准无源滤波器相比，有源滤波器可以提供更高水平的 EMI 衰减和更小尺寸的 π 滤波器。有源滤波器具有增益高、带宽宽、输出阻抗低、可以产生和吸收电流，检测直流总线上的任何扰动，并注入与噪声源相反的信号从而抵消干扰。LM25149-Q1 可在负载电流 >40% 的时候自动启动有源电磁干扰滤波器，负载电流 <30% 时候则会自动禁用有源滤波器。
另外，LM25149-Q1 使用了双随机扩频技术，将低频的三角调制与高频的伪随机调制相结合，分别提高了低频段和高频段的 EMI 性能。该产品除了在 EMI 上具有显著优势之外，在调整率、效率、温升及纹波等性能指标上都有着出色表现。
除此之外，包括 LMQ61460 集成了旁路电容器，TPS25850-Q1 利用了扩频频率抖动技术，LM5157-Q1 则提供了包括 DRSS、外部时钟同步以及 2.2MHz 开关功能等，UCC12050 集成了专用的变压器等等，TI 针对不同的应用场景，不同的 EMI 现场，提供各类组合，使工程师可以更有针对性的进行 EMI 的改善。
总结“EMI 在某些设计中是一个棘手的问题，比如在汽车系统中，诸如信息娱乐、车身电子、ADAS 等。工程师在设计原理图和绘制版图时，需要随时保持警惕。” Ramadass 强调。
除了汽车电子，工业和个人计算应用的快速发展对更快上市、更具成本效益、更小尺寸电子产品的需求也随之增长，这将不可避免地给 EMI 提出新的挑战。需要各种进阶的 EMI 缓解技术，以保证产品设计顺利通过业界通用 EMI 测试。
Ramadass 认为，工程师应该准备好以应对 EMI 挑战。对于不经常处理 EMI 问题的工程师来说，也要了解 EMI 的构成以及 EMI 的产生方式和原因，还要充分了解终端设备制造商需要满足的各种标准。为此，TI 也提供了许多与 EMI 相关的资源和技术内容，包括白皮书、培训视频等多种形式，供工程师学习交流。点击下方视频，看看 TI 如何应对 EMI 挑战？
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