引入输入滤波器来滤除噪声,提高传导EMI的性能

电子设计 2018-03-12 08:40 次阅读

一直以来,设计中的电磁干扰(EMI)问题十分令人头疼,尤其是在汽车领域。为了尽可能的减小电磁干扰,设计人员通常会在设计原理图和绘制布局时,通过降低高di / dt的环路面积以及开关转换速率来减小噪声源。

但是,有时无论布局和原理图的设计多么谨慎,仍然无法将传导EMI降低到所需的水平。这是因为噪声不仅取决于电路寄生参数,还与电流强度有关。另外,开关打开和关闭的动作会产生不连续的电流,这些不连续电流会在输入电容上产生电压纹波,从而增加EMI。

因此,有必要采用一些其他方法来提高传导EMI的性能。本文主要讨论的是引入输入滤波器来滤除噪声,或增加屏蔽罩来锁住噪声。

图1 EMI滤波器示意简图

图1是一个简化的EMI滤波器,包括共模(CM)滤波器和差模(DM)滤波器。 通常,DM滤波器主要用于滤除小于30MHz的噪声(DM噪声),CM滤波器主要用于滤除30MHz至100MHz的噪声(CM噪声)。 但其实这两个滤波器对于整个频段的EMI噪声都有一定的抑制作用。

图2显示了一个不带滤波器的输入引线噪声,包括正向噪声和负向噪声,并标注了这些噪声的峰值水平和平均水平。 其中,该被测系统主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1输出5V/5A,并给后续芯片TPS65263QRHBRQ1供电,同时输出1.5V/3A,3.3V/2A以及1.8V/2A。 这两个芯片都工作在2.2MHz的开关频率下。 另外,图中显示的传导EMI标准是CISPR25 Class 5(C5)。有关该系统的更多信息,请查阅应用笔记SNVA810。

图2 C5标准下的噪声特性(无滤波器)

图3显示了增加一个DM滤波器后的EMI结果。 从图中可以看出,DM滤波器衰减了中频段DM噪声(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高频段噪声(30MHz至100MHz)也有所降低,但仍超过限制水平。这主要是因为DM滤波器对于高频段CM噪声的滤除能力有限。

图3 C5标准下的噪声特性(带DM滤波器)

图4显示了增加CM和DM滤波器后的噪声特性。 与图3相比,CM滤波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪声。 并且EMI性能也通过了CISPR25 C5标准。

图4 C5标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器)

图5显示了不同布局下带CM和DM滤波器的噪声特性,其中滤波器与图4相同。但与图4相比,整个频段的噪声增加了大约10dBμV/ m,高频噪声甚至还超出CISPR25 C5标准的平均值。

图5 C5标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器,不同布局)

图4和图5之间噪声结果的不同主要是由于PCB布线差异所致,如图6所示。图5的布线中(图6的右侧),大面积覆铜(GND)包围着DM滤波器,并和Vin走线形成了一些寄生电容。 这些寄生电容为高频信号旁路滤波器提供了有效的低阻抗路径。 因此,为了最大限度地提高滤波器的性能,需要移除滤波器周围所有的覆铜,如图6左侧的布线。

图6 不同的PCB布线

除了增加滤波器外,另一种优化EMI性能的有效方法是增加屏蔽罩。 这是因为连接着GND的金属屏蔽罩可以阻止噪声向外辐射。 图7推荐了一种屏蔽罩的摆放方法。该屏蔽罩恰好覆盖了板上所有的元器件。

图8显示了增加滤波器和屏蔽罩之后的EMI结果。 如图所示,整个频段的噪声几乎都被屏蔽罩消除,EMI性能非常好。 这主要是因为等效为天线的长输入引线会耦合大量辐射噪声,而屏蔽罩恰好隔绝了它们。在本设计中,中频噪声也会采用这种方式耦合到输入引线上。

图7 带屏蔽罩的PCB 3D模型

图8 C5标准下的噪声特性(带CM,DM滤波器以及屏蔽罩)

图9也显示了带滤波器和屏蔽罩的噪声特性。与图8 不同的是,图9中屏蔽罩是一个金属盒,它包裹了整个电路板,且只有输入引线裸露在外面。 虽然有了这个屏蔽罩,但一些辐射噪声仍然可以绕过EMI滤波器并耦合到PCB上的电源线,这将会导致比图8更差的噪声特性。有趣的是,图4,图8和图9中(相同的布局布线)高频带的噪声特性几乎相同。 这是因为在增加EMI滤波器后,能耦合到输入线上的高频段辐射噪声几乎已经不存在了。

图9 C5标准下的噪声特性(带CM,DM滤波器以及屏蔽金属盒)

综合来说,增加EMI滤波器或者屏蔽罩都能有效的改善EMI性能。但是与此同时,滤波器的布局布线以及屏蔽罩的摆放位置需要仔细斟酌。

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