DC/DC 轉換器 EMI 的工程師指南 - 第 1 部分，規范和測量

  簡介

  多數電源應用必須減少電磁干擾(EMI)以滿足相關要求，系統設計人員必須嘗試各種方法來減少傳導和輻射發射。

  電磁兼容性(EMC)標準的合規性（例如，針對多媒體設備的CISPR 32，針對汽車應用的CISPR 25）是一項非常重要的任務，與產品開發成本和上市時間息息相關。

  對于DC/DC轉換器而言，雖然采用開關更快的電源器件可以提升開關頻率并縮小尺寸，但在開關轉換期間出現的開關電壓和電流轉換率（dv/dt和di/dt）有所提升，通常引起EMI加劇，導致整個系統出現問題。

  例如，氮化鎵(GaN)電源器件的開關速度極快，導致高頻條件下的EMI增加10dB。EMI濾波器是電力電子系統不可或缺的組成部分，在總體積和總重量方面占比相對較大。因此，必須非常關注系統的EMI降噪和抑制，不僅要滿足EMC規范，還需降低解決方案成本并提高系統功率密度。

  本文是EMI系列文章的第一部分，回顧了相關標準和測量技術，主要側重于傳導發射。表1列出了與EMI有關的常用縮寫和命名法。


  EMC監管規范

  EMC指系統或內含元器件在其電磁環境中按要求運行，不會對環境中的任何設備產生超出容限的電磁干擾的能力。此類干擾可能造成嚴重后果，因此各種國內和國際監管規范中均設立了EMC條款。

  在歐盟區域內，通信市場銷售的電源產品多年來通常采用EN 55022/CISPR 22產品標準，從而在傳導和輻射發射兩方面滿足合規性要求，歐盟之外參照此標準的電源產品使用CE符合性聲明(DoC)，滿足歐盟EMC指令2014/30/EU的合規性。

  針對北美市場設計的產品符合FCC第15部分的限值。IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4通用EMC標準分別適用于輕工業和工業環境。

  然而，在輻射方面，EN 55032產品標準已取代EN 55022(ITE)、EN 55013（廣播接收器和相關設備）和EN 55103-1（音視頻設備）。這一新標準正式成為符合EMC指令的統一輻射標準。更具體地說，之前根據EN 55022進行測試并在2017年3月2日后運往歐盟的所有產品，必須符合EN 55032的要求。

  隨著EN 55022標準撤銷并由EN 55032取代，電源制造商和供應商需要按照新標準更新其DoC證書，從而合法地使用CE認證徽標。圖1顯示了在150kHz至30MHz的適用頻率范圍內，使用準峰值(QP)和平均值(AVG)信號檢測器進行的傳導發射的EN 55022/32 A類和B類限值。

  對于汽車終端設備，未來EMC合規性的主要推動力無疑來自于通過車輛間通信支持的自主車輛。針對“板載接收器保護”的CISPR 25規范已針對傳導發射設置了嚴格的限制，在FM頻帶（76MHz至108MHz）的限制尤為嚴格。

  從監管角度而言，UNECE 10號法規在2014年11月取代了歐盟的汽車EMC指令2004/104/EC，其中要求制造商必須取得所有車輛、電子元器件(ESA)、元器件和獨立技術單元的型式認證。

  CISPR 25測試的傳導發射均在150kHz至108MHz頻率范圍的特定頻帶內進行測量。具體而言，調節頻率范圍分布在AM廣播、FM廣播和移動服務頻帶之間，如圖2中的圖象和表格所示。圖2還繪制了CISPR 25 5類（最嚴苛的要求）的相關限值圖象。盡管頻帶之間的帶隙允許更高的噪聲尖峰，但汽車制造商可能會根據其特定的內部EMC要求選擇擴展這些頻率范圍。這些要求通常基于國際IEC標準，僅更改不同測試或限值的少量參數，其核心內容保持不變。

  為了應對CISPR 25限值帶來的挑戰，尤其是FM頻帶方面，請注意，50Ω測量電阻產生的18dBμV對應的噪聲電流僅為159nA。

  測量傳導EMI

  LISN測量EUT產生的傳導發射。它是插入EMI源和電源之間測量點的接口，確保EMI測量結果的可重復性和可比較性。圖3所示為根據CISPR 16-1-2[12]或ANSI C63.4標準定義的標準50μH LISN的功能等效電路（并非完整原理圖）。

  LISN提供：

  ·在給定頻率范圍內，產生經過校準的穩定信號源阻抗。

  ·在該頻率范圍內，將EUT和測量設備與輸入電源隔離。

  ·與測量設備建立安全適用的連接。

  ·單獨測量兩條線路的總噪聲級別，圖3中以L和N表示。

  簡而言之，使用信號源阻抗已知的預定義測試方案能夠獲得可重復性結果。注：LISN可能包含一個或多個獨立LISN電路。

  LISN的實質是pi濾波器網絡。通過低通電感-電容(LC)濾波器，EUT與輸入電源線L和N相連，如圖3所示。LISN電感值基于在產品理想安裝狀態下，電源線的預期電感。

  CISPR 16和ANSI C63.4為LISN指定了一個50μH電感，該值與電信設備中約50米的配電布線系統的電感相符。相反，CISPR 25指定5μH LISN，與汽車線束的近似電感相對應。

  LISN為噪聲發射信號提供明確定義的阻抗。LISN制造商通常提供校準曲線，指示特定測量頻率范圍內的標稱阻抗。根據CISPR 16-1-2，允許的容差是±20%的幅值和±11.5°的相位。

  對于使用EMI接收器或頻譜分析儀進行的測量，噪聲信號可通過高通濾波器網絡（如圖3所示）獲得，該網絡的耦合電容為0.1μF，放電電阻為1kΩ，測量端口的端接電阻為50Ω。圖4顯示了在150kHz至30MHz的頻率范圍，(50μH+5Ω)||50ΩLISN的模擬阻抗圖。

  針對汽車應用的CISPR 25測試裝置

  圖5顯示了CISPR 25推薦的傳導發射測試裝置。該標準定義了待測系統的處理方式以及測量方案和設備。根據CISPR 25規范，LISN在此處指定為AN。當汽車功率回流線超過200mm時，EUT遠程接地，需要兩個AN：二者分別用于正電源線和功率回流線。相反，如果汽車功率回流線不超過200mm，則EUT本地接地，只需將一個AN應用于正電源。

  AN直接安裝在基準接地平面之上，AN外殼與接地平面相連。電源回流線還與電源和AN之間的接地平面相連。將EMI接收器連接到相應AN的測量端口可確保成功測量每條電源線上的傳導發射。與此同時，插入另一條電源線的AN的測量端口端接50Ω負載。

圖5：CISPR 25傳導EMI測試方案（電壓法）概述。

  圖6顯示了用于預合規測試的CISPR 25傳導發射試驗室。LISN是右側的藍色箱體，鋰離子汽車電池位于其后，DUT位于左側的絕緣材料上。為了在特定電源電壓下（例如13.5V）進行測試，使用可變電壓源從試驗室外部通過隔板饋電。結果通過各自的LISN在線路端（熱回路）和返回端（接地）獲取。

圖6：使用兩個單極LISN和銅箔接地平面的CISPR 25傳導EMI測試裝置。

  圖7顯示了典型的CISPR 25傳導EMI掃描結果，黃色和藍色分別表示峰值和平均測量值。我們可以看到DC/DC轉換器安靜地運行，傳導發射遠低于嚴格的5類限值。這種測量技術在30MHz以上發生改變，因為EMI接收器的RBW從9kHz調整為120kHz，可能導致測量噪底發生變化。

  總結

  有意或者無意產生的電磁能量均對其他設備造成電磁干擾。商業產品需要在正常運行過程中將產生的電磁能量降至最低水平。

  世界各地的許多管理機構均對允許最終產品產生的傳導和輻射EMI的等級進行了規定。采用適用的測量技術可以定量分析此類發射，以便采取適當的措施符合法規的合規性。

  EMC要求通常事關在AC電源線（和信號線）所測量系統的整體情況，而DC/DC轉換器作為子元器件，并沒有具體的EMC限值。然而，用戶可以執行預合規性測試，確定EMI是否造成不良影響。