在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電源系統(tǒng)作為能量供給核心，其電磁兼容性(EMC)直接決定設(shè)備穩(wěn)定性與合規(guī)性。電磁干擾(EMI)作為電源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵痛點(diǎn)，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備自身性能衰減，還可能干擾周邊電子系統(tǒng)正常運(yùn)行。本文將深入剖析電源設(shè)計(jì)中 EMI 的產(chǎn)生根源、傳播路徑，并結(jié)合工程實(shí)踐提出系統(tǒng)性?xún)?yōu)化方案。

一、EMI 的產(chǎn)生機(jī)理：能量泄漏的本質(zhì)

EMI 的產(chǎn)生本質(zhì)是非理想電路中的能量無(wú)序輻射與傳導(dǎo)，電源系統(tǒng)中主要源于以下三類(lèi)核心場(chǎng)景：

首先是開(kāi)關(guān)器件的非線性工作。開(kāi)關(guān)電源中 MOSFET、IGBT 等器件的高速通斷(納秒級(jí)切換速度)是 EMI 的主要來(lái)源。當(dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，電流快速上升形成 di/dt 突變，在寄生電感上產(chǎn)生瞬時(shí)高壓;關(guān)斷時(shí)，電壓急劇變化形成 dv/dt 突變，兩者共同激發(fā)高頻振蕩。例如，Buck 轉(zhuǎn)換器中開(kāi)關(guān)管關(guān)斷瞬間，漏源極電壓可能出現(xiàn) 100V/ns 的變化率，引發(fā)強(qiáng)烈的電磁輻射。

其次是電路寄生參數(shù)的影響。實(shí)際電路中，導(dǎo)線電感、 PCB 布線電容、器件寄生參數(shù)等非理想因素構(gòu)成 “隱形天線”。電源回路的寄生電感與濾波電容的等效串聯(lián)電感(ESL)、等效串聯(lián)電阻(ESR)相互作用，會(huì)在開(kāi)關(guān)頻率及其諧波處產(chǎn)生諧振，放大 EMI 信號(hào)。此外，變壓器的漏感與分布電容也是重要干擾源，漏感導(dǎo)致電流突變，分布電容則為高頻信號(hào)提供泄漏通道。

最后是電流回路的非對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)。電源輸入輸出回路、功率回路與控制回路的布線不合理，會(huì)形成面積較大的電流環(huán)路。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的電流會(huì)在環(huán)路中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，進(jìn)而向空間輻射電磁波，環(huán)路面積越大、電流變化率越高，輻射干擾越強(qiáng)。

二、EMI 的傳播路徑：干擾擴(kuò)散的兩大渠道

EMI 的傳播主要分為傳導(dǎo)干擾與輻射干擾，兩者常相互轉(zhuǎn)化，形成復(fù)雜的干擾網(wǎng)絡(luò)。

傳導(dǎo)干擾是指干擾信號(hào)通過(guò)電源線、信號(hào)線等導(dǎo)體傳播，分為共模干擾與差模干擾。差模干擾是兩根導(dǎo)線之間的電位差產(chǎn)生的干擾，源于功率開(kāi)關(guān)的電流突變;共模干擾是兩根導(dǎo)線相對(duì)于地的電位差產(chǎn)生的干擾，多由寄生電容的耦合效應(yīng)引發(fā)。例如，開(kāi)關(guān)管與散熱片之間的寄生電容會(huì)導(dǎo)致共模電流通過(guò)地線傳播，污染整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)。

輻射干擾則是干擾信號(hào)以電磁波形式通過(guò)空間傳播，遵循電磁輻射的基本規(guī)律。當(dāng)高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，會(huì)在周?chē)a(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，若磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)限值，就會(huì)對(duì)周邊敏感設(shè)備造成干擾。電源系統(tǒng)中的散熱片、PCB 走線、導(dǎo)線等都可能成為輻射天線，尤其是當(dāng)走線長(zhǎng)度接近干擾信號(hào)波長(zhǎng)的 1/4 時(shí)，輻射效率會(huì)顯著提升。此外，輻射干擾與傳導(dǎo)干擾可相互轉(zhuǎn)化，例如傳導(dǎo)干擾通過(guò)線纜輻射出去，或輻射干擾感應(yīng)到線纜上形成傳導(dǎo)干擾。

三、EMI 的優(yōu)化策略：從源頭到傳播的全鏈路控制

EMI 優(yōu)化需遵循 “源頭抑制、路徑阻斷、敏感點(diǎn)保護(hù)” 的原則，結(jié)合電路設(shè)計(jì)、PCB 布局、屏蔽措施等多方面手段，實(shí)現(xiàn)全鏈路干擾控制。

在源頭抑制方面，核心是降低開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流變化率，減少干擾源強(qiáng)度。選用低寄生參數(shù)的功率器件，如低 ESR 的電容、低漏感的變壓器;優(yōu)化開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電阻控制開(kāi)關(guān)速度，在 EMI 與效率之間找到平衡;采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如 ZVS、ZCS 拓?fù)?，使開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下切換，大幅降低 di/dt 和 dv/dt。此外，合理設(shè)計(jì)變壓器的繞組結(jié)構(gòu)，采用三明治繞法減少漏感，在繞組兩端并聯(lián) RC 吸收電路，抑制電壓尖峰。

在路徑阻斷方面，重點(diǎn)是切斷 EMI 的傳播通道。電源輸入端加裝 EMI 濾波器，這是抑制傳導(dǎo)干擾的關(guān)鍵手段。濾波器需同時(shí)抑制共模和差模干擾，通常由差模電感、共模電感、X 電容、Y 電容組成。安裝時(shí)需注意濾波器的布局，確保輸入輸出端隔離，避免干擾信號(hào)繞過(guò)濾波器(即 “穿心效應(yīng)”)。對(duì)于 PCB 布局，應(yīng)遵循 “最小環(huán)路面積” 原則，優(yōu)化功率回路布線，縮短電流路徑，減少寄生電感;將功率器件與敏感電路(如控制芯片)分開(kāi)布局，避免相互耦合;采用地層分區(qū)設(shè)計(jì)，功率地與信號(hào)地單點(diǎn)連接，防止地環(huán)路干擾。

在輻射抑制與屏蔽方面，針對(duì)輻射干擾較強(qiáng)的場(chǎng)景，需采用屏蔽措施。對(duì)電源模塊進(jìn)行金屬屏蔽封裝，屏蔽材料選擇銅、鋁等導(dǎo)電性能良好的金屬，確保屏蔽體接地良好，形成完整的電磁屏蔽腔;線纜采用屏蔽電纜，屏蔽層兩端接地，抑制線纜的輻射與耦合;對(duì)于散熱片等大型金屬部件，可在其與開(kāi)關(guān)器件之間增加絕緣墊片，并將散熱片接地，減少寄生電容耦合產(chǎn)生的共模干擾。