工業(yè)、汽車與個(gè)人運(yùn)算應(yīng)用中的電子系統(tǒng)愈發(fā)密集且互相連接。為了改善這類系統(tǒng)的尺寸和功能，因此在封裝各種不同電路時(shí)皆采取近封裝距離。有鑒于前述限制，降低電磁干擾 (EMI) 影響也逐漸成為重要的系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮。
圖 1 所示的車用攝影機(jī)模塊就是這類多功能系統(tǒng)其中一個(gè)范例，該模塊內(nèi)的兩百萬像素成像組件、4 Gbps 的串聯(lián)器及四通道電源管理集成電路 (PMIC) 皆以近距離封裝在一起。如此會(huì)使復(fù)雜度和密度隨之提升并帶來副作用，也就是使成像組件與訊號(hào)處理組件緊鄰 PMIC，而 PMIC 帶有高電流與電壓。除非在設(shè)計(jì)期間能夠小心留意，否則前述的配置方式勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致一系列電路對(duì)敏感組件的功能造成電磁干擾。
圖 1：車用攝影機(jī)模塊
電磁干擾 (EMI) 可能會(huì)以兩種方式顯現(xiàn)。例如連接相同電源供應(yīng)器的無線電和電機(jī)鉆就是一例，如圖 2 所示。在本例中，敏感無線電系統(tǒng)的運(yùn)作會(huì)透過傳導(dǎo)方式受到電機(jī)影響，因?yàn)檫@兩者共享相同的電源插座。電機(jī)也會(huì)透過電磁輻射對(duì)無線電的功能造成影響，因?yàn)榍笆鲭姶泡椛鋾?huì)透過空氣耦合，并受到無線電天線接收。
終端設(shè)備制造商整合不同來源的組件時(shí)，唯一能確保干擾電路和敏感電路可和平共存并正確運(yùn)作的方法，就是建立一套共享規(guī)則，針對(duì)干擾電路設(shè)定干擾程度的限制，且敏感電路必須能夠處理該程度的干擾。
圖 2：通過傳導(dǎo)和電磁方式造成的電磁干擾
共享 EMI 標(biāo)準(zhǔn)
用于限制干擾的規(guī)定采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格建立，例如適用汽車產(chǎn)業(yè)的國(guó)際無線電干擾特別委員會(huì) (CISPR) 25，以及適用多媒體設(shè)備的 CISPR 32。CISPR 標(biāo)準(zhǔn)是 EMI 設(shè)計(jì)的重要關(guān)鍵，因其可決定任何 EMI 降低技術(shù)的目標(biāo)性能。CISPR 標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)干擾模式分類為傳導(dǎo)式限制和輻射式限制，如圖 3 所示。圖 3 圖表中的長(zhǎng)條代表最大的傳導(dǎo)式和輻射式排放限制，這是使用標(biāo)準(zhǔn) EMI 測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)量時(shí)，受測(cè)裝置所能容許的上限。
圖 3：傳導(dǎo)式和輻射式 EMI 的一般標(biāo)準(zhǔn)
EMI 的成因
若要建立兼容于 EMI 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)，需要清楚了解 EMI 的主要成因。現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，最常見的電路之一就是硬式切換電源供應(yīng)器 (SMPS)，可在多數(shù)應(yīng)用中透過線性穩(wěn)壓器大幅提升效率。但這樣的效率必須付出代價(jià)，因在 SMPS 中切換功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，會(huì)使其成為主要 EMI 來源。
如圖 4 所示，在 SMPS 中進(jìn)行切換的本質(zhì)，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生非連續(xù)輸入電流、在切換節(jié)點(diǎn)的高邊緣速率，以及電源回路中因寄生電感而在切換邊緣產(chǎn)生的其他振鈴。非連續(xù)電流會(huì)影響 <30 MHz 頻帶的 EMI，而在切換節(jié)點(diǎn)的高邊緣速率以及振鈴則會(huì)影響 30 至 100 MHz 頻帶的 EMI，以及 >100 MHz 之頻帶的 EMI。
圖 4：SMPS 運(yùn)作期間的主要 EMI 來源
降低 EMI 的傳統(tǒng)和進(jìn)階技術(shù)
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要使用兩種方法降低切換轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 EMI，而兩種方法都會(huì)造成相關(guān)的損失。為了處理低頻率 (<30 MHz) 排放并符合適用標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)在切換轉(zhuǎn)換器的輸入處放置大型被動(dòng)濾波器，造成解決方案更為昂貴、功率密度更低。
而一般降低高頻率排放的方式，則是透過有效的閘極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)來降低切換邊緣速率。雖然這么做有助降低 >30 MHz 之頻帶的 EMI，但是降低的邊緣速率會(huì)導(dǎo)致切換損失增加，進(jìn)而使解決方案的效率降低。換句話說，為了實(shí)現(xiàn)低 EMI 的解決方案，注定需在功率密度和效率上做出取舍。
為了免除取舍的需要并且一并獲得高功率密度、高效率以及低 EMI 的優(yōu)勢(shì)，TI 在設(shè)計(jì) LM25149-Q1、LM5156-Q1 和 LM62440-Q1 等切換轉(zhuǎn)換器和控制器時(shí)，加入了多種技術(shù)，如圖 5 所示。前述技術(shù)包含展頻、主動(dòng) EMI 濾波、抵銷線圈、封裝創(chuàng)新、整合式輸入旁路電容器及真實(shí)電壓轉(zhuǎn)換率控制方法等，且這些技術(shù)都經(jīng)過設(shè)計(jì)，針對(duì)所需的特定頻帶量身打造；在上方連結(jié)的白皮書和其他資源區(qū)段所連結(jié)的相關(guān)教學(xué)影片中，對(duì)此提供了更深入的說明。
圖 5：TI 的功率轉(zhuǎn)換器和控制器為了大幅降低 EMI 而采用的技術(shù)
結(jié)論
設(shè)計(jì)低 EMI 可顯著縮短開發(fā)周期時(shí)間，并可減少機(jī)板面積和解決方案成本。TI 提供多種可降低 EMI 的功能與技術(shù)。以 TI 經(jīng)過 EMI 優(yōu)化的電源管理產(chǎn)品來運(yùn)用不同技術(shù)組合，可確保使用 TI 組件的設(shè)計(jì)通過業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)而無需過多重做。希望本信息和相關(guān)內(nèi)容能簡(jiǎn)化您的設(shè)計(jì)程序，并且讓您能在不犧牲功率密度或效率的情況下，將終端設(shè)備維持在 EMI 限制內(nèi)。 |
