棘手的FM频段传导EMI的缓解策略

Gengyao Li, Dongwon Kwon, and Keith Szolusha

如何抑制开关电源的棘手传导FM频段发射？

虽然EMI屏蔽和铁氧体夹通常是广受欢迎的EMI解决方案，但它们可能昂贵、笨重，有时甚至不够。通过了解FM频段EMI噪声的来源并采用电路和PCB设计技术在源头上抑制它，可以降低EMI噪声。

电源网络的EMI性能在汽车电路等噪声敏感系统中至关重要，尤其是在涉及开关模式电源（SMPS）时。工程师可以投入大量时间来减少传导发射 （CE） 和辐射发射 （RE）。特别是在测量CE时，FM频段（76 MHz至~108 MHz）可能是最难获得合格结果的区域。设计人员可能需要花费大量时间来执行此操作。为什么FM频段的CE噪声如此难以缓解？

低频（AM频段）CE主要由差模（DM）噪声主导。高频（FM频段）CE主要由共模（CM）噪声主导。1共模噪声电流由PCB上电压变化的节点产生。电流通过杂散电容泄漏到参考地，然后泄漏回输入正负电缆（见图1）。由于PCB周围杂散电容的复杂性，仿真杂散电容和估计FM频段传导EMI是不切实际的。最好在EMI室中测试电路板。

图1.传导发射、共模噪声电流路径。

实验室中有一些行之有效的方法可以有效降低FM频段EMI，包括改变开关频率、开关压摆率、开关节点布局、热回路布局、电感器，甚至输入电缆和负载的位置。每种方法的功效可能因董事会而异。

本文探讨了一些简单、低成本的方法，以降低电路板上的FM频段传导EMI，而无需使用铁氧体夹或屏蔽。通过在经过认证的EMI暗室中，在汽车HUD LED驱动器中采用LT3922-1的电路板上执行电流探头CE测试来验证结果，如图2所示。

图2.LT3922-1 汽车 HUD LED 驱动器的简化原理图。

在该测试中，CE在CISPR 25 EMI设置中使用电流探针方法测量，如图3所示。CE可以通过电压探针方法或电流探针方法进行测试，但电流探针方法标准通常被认为是两者中更严格的。电流CE方法不是测量LISN的电压输出，而是利用高带宽电流探头来测量通过电源线或线束传播的CM噪声信号，距离DUT的距离为50 mm和750 mm。每次扫描时都会收集峰值和平均值CE数据，并与公布的标准限值进行比较。

图3.CISPR 25 电流探头在 EMI 测试室 （50 mm） 中设置传导发射 （CE）。

对于电流探头方法，CISPR 25 Class 5中描述的FM频段平均CE限值低至−16 dBμA。在这里，我们提出了几种有效的方法来改善CE电流探针测试下的FM频段结果。其中许多方法也可用于改善电压法CE测试的结果。

除非另有说明，否则本研究中的所有测试都启用了SSFM。使用SSFM时，开关频率处的EMI尖峰及其谐波会降低。

共模扼流圈抑制 FM 频段 EMI 噪声

开关期间产生的CM噪声电流通过杂散电容泄漏到基准地，并通过输入电源和返回路径沿同一方向返回。通过使用CM扼流圈增加环路中的共模阻抗，可以抑制不需要的CM噪声。

图4显示了50 mm和750 mm平均电流探头CE结果，比较了没有扼流圈的原始电路和安装在LED驱动器电路之前的扼流圈。还显示了环境本底噪声以供参考。FM频段CE（76 MHz至~108 MHz）降低了8 dBμA以上。

部件号	3L UPIMFS0603-220M	伍尔特74437346220	线艺XEL5050-223
磁屏蔽	是的	是的	是的
焊盘曝光	暴露	暴露	隐藏
芯材	金属粉尘	铁粉	复合

电感器与众不同

快速变化的电压和电流施加到主电感器上，使其成为电磁天线。因此，电感器可能是FM频段CE噪声的来源。EMI测试结果可以通过多种电感相关方法得到改善。例如，电感器的装配方向可能会有所不同。2屏蔽电感器的辐射通常低于非屏蔽电感，并且某些磁芯材料比其他磁芯材料更能限制H场和E场辐射。例如，铁粉和金属合金粉末电感器在频率高于1 MHz时具有较低的电场屏蔽效果，MnZn和NiZn在较高的开关频率下具有更好的性能。2, 3带裸焊盘的电感器的性能比隐藏焊盘电感差。将内线圈绕组的长引线连接到高dV/dt（开关）节点会显著增加电场辐射。

图4.电流探头CE表明，当使用共模扼流圈时，FM频段的发射较低。

图5.电流探头CE电感器比较。

图6.电流探头CE开关频率比较。

测试了三个22 μH屏蔽电感，如表1所示。EMI在无CM扼流圈的同一电路中进行评估，并且每个电感器都以最佳性能方向组装。结果在图5中进行了比较。在本研究中，线艺XEL电感器具有最佳的FM频段性能，与5L电感器相比，FM频段EMI降低了1.3 dB。

较低的开关频率 （f西 南部） 产生更安静的 FM 频段

降低开关频率可降低给定高频下的发射能量。在图6中，电流探头CE在没有CM扼流圈的情况下进行测试，并在200 kHz、300 kHz和400 kHz开关频率下进行比较。除RT外的所有组件都保持不变。200 kHz 测试显示 FM 频段的 EMI 最低，发射比 3 kHz 情况低 2.400 dB。

通过减少开关节点面积来缩小噪声天线

高dV/dt开关节点是一个噪声源，它会产生容性耦合并增加CE中的CM EMI噪声。它还可以用作天线，将电磁噪声辐射到空间中，也会影响辐射EMI。因此，PCB布局上的最小开关节点面积可改善EMI性能。

为了在PCB板上对此进行测试，通过切断一些铜并将电感器移近IC来减小开关节点面积，如图7所示。在去除铜缆之前和之后测试EMI，结果如图8所示。

50 mm电流探头CE测试在1 MHz时降低105 dB，而750 mm测试没有明显改善。该结果表明，铜面积不是该应用中FM频段EMI的主要影响因素。尽管如此，还是值得尝试尽可能减小开关节点面积，以实现低EMI PCB布局，或在EMI缓解期间。

图7.切换节点截止区域。

图8.电流探头CE比较开关节点面积。

结论

电源的EMI性能首先取决于电源IC的性能，但即使是高性能IC也只能通过正确选择组件和有效的PCB布局来实现低EMI。在本文中，我们探讨了几种利用围绕LT3922-1汽车HUD LED驱动器构建的电路板来降低FM频段传导辐射（CE）的方法。

在正输入线和负输入线上施加CM扼流圈会增加共模噪声电流环路中的阻抗。采用不同磁芯材料、磁芯结构和线圈结构的不同电感器会产生一系列 EMI 性能结果。仅通过查看规格很难估计哪种电感最好，但可以在EMI实验室进行比较。

PCB上电感器的组装方向也很重要。降低开关频率和减少开关节点铜面积都有助于降低FM频段CE。如果 DUT 是使用控制器部分（外部 MOSFET）的开关稳压器电路，则可以通过降低开关压摆率和最小化热回路区域来进一步降低 FM 频段 EMI。

审核编辑：郭婷