技術干貨 | 解決 EMI 問題，需從源頭入手
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您是否會在設計之初就考慮 EMI 的問題？還是說需要通過認證時才會測試？降低 EMI 措施是否貫穿您整個產(chǎn)品設計周期？
電子設備的廣泛應用和發(fā)展，必然導致它們在其周圍空間產(chǎn)生的電磁場電平的不斷增加。1881 年英國科學家希維賽德發(fā)表了《論干擾》的文章，從此拉開了電磁干擾問題研究的序幕。1934 年 6 月 28 日至 30 日，國際無線電干擾特別委員會（CISPR）在巴黎舉行了第一次正式會議，從此開始對電磁干擾及其控制技術進行有組織的研究。CISPR 的各項標準，成為了全球各個國家電磁干擾指標規(guī)定的重要依據(jù)。
電磁干擾需提高重視近日，某手機品牌發(fā)布公告稱，其最新產(chǎn)品系列與配件會干擾醫(yī)療設備，因此建議醫(yī)療植入器械攜帶者將手機遠離心臟處 15 厘米以上。
時至今日，電磁干擾問題始終是電子設備需要關注的一個焦點。不僅是在消費電子中，在電磁環(huán)境更為復雜的汽車、工業(yè)等應用中更是如此，這類 EMI 源頭往往都是在電路內(nèi)部，而 EMI 最終會影響音頻設備、自動門控制器以及其他意想不到的結果。
絕大部分電子電氣設備工作時都會有周期性的或者間歇性的電壓電流變化，比如開關電源工作會有固定的一個開關頻率，MOS 管開通和關斷脈沖的產(chǎn)生會伴隨其上升沿和下降沿（di/dt），并帶來非常豐富的諧波；除了應用于各種各樣場合的 AC-DC、DC-DC 開關電源、還有一些逆變器（光伏、電機控制等）的 PWM 信號，都是 EMI 問題產(chǎn)生的干擾源。除此之外，印刷電路板、時鐘電路、振蕩器、數(shù)字電路和處理器也會成為電路內(nèi)部 EMI 源。對電流執(zhí)行開關操作的一些機電裝置，在關鍵操作期間會產(chǎn)生 EMI。這些源頭在某些頻率集中產(chǎn)生一些電磁能量，通過相應的電路、天線或等效天線發(fā)射到周圍環(huán)境之中。這些 EMI 信號的頻譜成分和強度，決定了它是否會對敏感型電路產(chǎn)生影響。
降低 EMI 的影響日益成為系統(tǒng)設計的關鍵考慮因素，但是對于一部分工程師來說，并不將其放在設計過程的首要考慮位置，只有需要通過認證時才會測試。對此，德州儀器 (TI) 技術委員會杰出委員，Kilby 實驗室電源、隔離、電機設計經(jīng)理 Yogesh Ramadass 分析道：“原因之一，在設計時 EMI 并未定義為系統(tǒng)關鍵規(guī)范指標。其次，即使定義了關鍵 EMI 規(guī)范指標，工程師由于缺少合適的仿真工具和建模方法來預測 EMI，而導致在后期測試中才發(fā)現(xiàn) EMI 的問題?！?/span>
而工程師后期發(fā)現(xiàn)問題再進行相應的整改時，解決 EMI 問題可能會更加困難、耗費大量時間和資金成本。實際上針對 EMI 的整改異常繁瑣，許多中小型公司自身不具備這類條件，大多數(shù)都要選擇第三方進行整改，如果整改措施改動較大，對于客戶的咨詢費用、設計時間、BOM 成本等都將是一筆不小的開銷。鑒于 EMI 可能在后期嚴重阻礙設計進度，因此必須在設計之初就考慮 EMI 問題，并將其指標貫穿整個產(chǎn)品設計周期。
如何從根源解決EMI問題針對部分電磁敏感的設備或系統(tǒng)來說，通常會采用 LDO 而不是開關電源，從而限制 EMI，但是這又會導致效率下降等不利影響。有沒有可以顯著解決 EMI 問題，并且無需太多額外設計開銷，同時又可以采用高效率開關電源的解決方案呢？
“解決 EMI 相關問題的關鍵是從源頭入手。”?Ramadass 說道。
EMI 給工程師的設計帶來了巨大挑戰(zhàn)，但電路板布局限制以及額外設計的屏蔽等因素并不意味著工程師沒有其他選擇，而實際上通過選擇具有 EMI 緩解技術的芯片，可以從源頭改善 EMI。這也和媒體近期在訪談工程師提到的，他們最常用的降低 EMI 的手段是選擇低 EMI 器件，不謀而合。
EMI 問題有多種形式，具體取決于受影響的頻段。為有效緩解 EMI 問題，德州儀器 (TI) 采用了一套綜合技術，即獨特的 IC 設計和封裝技術，可根據(jù)特定頻段解決 EMI 的主要來源。這有助于避免在其他頻段上出現(xiàn)次優(yōu)或無效的一刀切解決方案。
此外，為了從源頭上解決問題，工程師在設計時必須擁有良好的仿真和建模方法來預測? EMI。TI 獨特的 EMI 建模工具webench?使工程師能夠像設計高效率、高功率密度性能等一樣設計具有出色 EMI 性能的電源轉換器。
Ramadass 具體介紹了 TI 的綜合技術，如圖所示：
將 EMI 問題分解為特定頻段（低頻和高頻），就可以更有針對性地來解決這些特定頻率的每一個 EMI 問題。
對于低頻問題 (<30 MHz)，TI 的電源轉換器使用先進的擴頻和有源濾波技術來減輕 PCB 上所需的無源濾波負擔，以滿足并超越標準。這有助于終端系統(tǒng)變得更小、成本更低，同時滿足其 EMI 需求。
而對于與更高頻率（FM 頻段和 >100 MHz 頻段）相關的問題，TI 的電源轉換器利用各種柵極驅動器、封裝和無源集成技術從源頭上最大限度地減少 EMI 問題。這有助于解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中通常需要的一些難以調試的接地和屏蔽問題。
由于 IC、組件和 PCB 設計之間的相互作用，“即使從源頭解決 EMI 之后，系統(tǒng)工程師在組裝終端設備時還需要考慮適當?shù)?EMI 指標，才能更好地發(fā)揮系統(tǒng)的功能?！?Ramadass 補充道。
集成有源濾波器和雙隨機擴頻技術TI 提供多種功能和技術來降低所有相關頻段的 EMI，其創(chuàng)新的技術優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
TI 在 2021 年新推出的 LM25149-Q1，是 TI 首款集成有源濾波器的芯片。相比外置有源濾波器，整體面積可縮小 50% 以上。與標準無源濾波器相比，有源濾波器可以提供更高水平的 EMI 衰減和更小尺寸的 π 濾波器。有源濾波器具有增益高、帶寬寬、輸出阻抗低、可以產(chǎn)生和吸收電流，檢測直流總線上的任何擾動，并注入與噪聲源相反的信號從而抵消干擾。LM25149-Q1 可在負載電流 >40% 的時候自動啟動有源電磁干擾濾波器，負載電流 <30% 時候則會自動禁用有源濾波器。
另外，LM25149-Q1 使用了雙隨機擴頻技術，將低頻的三角調制與高頻的偽隨機調制相結合，分別提高了低頻段和高頻段的 EMI 性能。該產(chǎn)品除了在 EMI 上具有顯著優(yōu)勢之外，在調整率、效率、溫升及紋波等性能指標上都有著出色表現(xiàn)。
除此之外，包括 LMQ61460 集成了旁路電容器，TPS25850-Q1 利用了擴頻頻率抖動技術，LM5157-Q1 則提供了包括 DRSS、外部時鐘同步以及 2.2MHz 開關功能等，UCC12050 集成了專用的變壓器等等，TI 針對不同的應用場景，不同的 EMI 現(xiàn)場，提供各類組合，使工程師可以更有針對性的進行 EMI 的改善。
總結“EMI 在某些設計中是一個棘手的問題，比如在汽車系統(tǒng)中，諸如信息娛樂、車身電子、ADAS 等。工程師在設計原理圖和繪制版圖時，需要隨時保持警惕。” Ramadass 強調。
除了汽車電子，工業(yè)和個人計算應用的快速發(fā)展對更快上市、更具成本效益、更小尺寸電子產(chǎn)品的需求也隨之增長，這將不可避免地給 EMI 提出新的挑戰(zhàn)。需要各種進階的 EMI 緩解技術，以保證產(chǎn)品設計順利通過業(yè)界通用 EMI 測試。
Ramadass 認為，工程師應該準備好以應對 EMI 挑戰(zhàn)。對于不經(jīng)常處理 EMI 問題的工程師來說，也要了解 EMI 的構成以及 EMI 的產(chǎn)生方式和原因，還要充分了解終端設備制造商需要滿足的各種標準。為此，TI 也提供了許多與 EMI 相關的資源和技術內(nèi)容，包括白皮書、培訓視頻等多種形式，供工程師學習交流。點擊下方視頻，看看 TI 如何應對 EMI 挑戰(zhàn)？
您是否會在設計之初就考慮 EMI 的問題？還是說需要通過認證時才會測試？降低 EMI 措施是否貫穿您整個產(chǎn)品設計周期？
電子設備的廣泛應用和發(fā)展，必然導致它們在其周圍空間產(chǎn)生的電磁場電平的不斷增加。1881 年英國科學家希維賽德發(fā)表了《論干擾》的文章，從此拉開了電磁干擾問題研究的序幕。1934 年 6 月 28 日至 30 日，國際無線電干擾特別委員會（CISPR）在巴黎舉行了第一次正式會議，從此開始對電磁干擾及其控制技術進行有組織的研究。CISPR 的各項標準，成為了全球各個國家電磁干擾指標規(guī)定的重要依據(jù)。
電磁干擾需提高重視近日，某手機品牌發(fā)布公告稱，其最新產(chǎn)品系列與配件會干擾醫(yī)療設備，因此建議醫(yī)療植入器械攜帶者將手機遠離心臟處 15 厘米以上。
時至今日，電磁干擾問題始終是電子設備需要關注的一個焦點。不僅是在消費電子中，在電磁環(huán)境更為復雜的汽車、工業(yè)等應用中更是如此，這類 EMI 源頭往往都是在電路內(nèi)部，而 EMI 最終會影響音頻設備、自動門控制器以及其他意想不到的結果。
絕大部分電子電氣設備工作時都會有周期性的或者間歇性的電壓電流變化，比如開關電源工作會有固定的一個開關頻率，MOS 管開通和關斷脈沖的產(chǎn)生會伴隨其上升沿和下降沿（di/dt），并帶來非常豐富的諧波；除了應用于各種各樣場合的 AC-DC、DC-DC 開關電源、還有一些逆變器（光伏、電機控制等）的 PWM 信號，都是 EMI 問題產(chǎn)生的干擾源。除此之外，印刷電路板、時鐘電路、振蕩器、數(shù)字電路和處理器也會成為電路內(nèi)部 EMI 源。對電流執(zhí)行開關操作的一些機電裝置，在關鍵操作期間會產(chǎn)生 EMI。這些源頭在某些頻率集中產(chǎn)生一些電磁能量，通過相應的電路、天線或等效天線發(fā)射到周圍環(huán)境之中。這些 EMI 信號的頻譜成分和強度，決定了它是否會對敏感型電路產(chǎn)生影響。
降低 EMI 的影響日益成為系統(tǒng)設計的關鍵考慮因素，但是對于一部分工程師來說，并不將其放在設計過程的首要考慮位置，只有需要通過認證時才會測試。對此，德州儀器 (TI) 技術委員會杰出委員，Kilby 實驗室電源、隔離、電機設計經(jīng)理 Yogesh Ramadass 分析道：“原因之一，在設計時 EMI 并未定義為系統(tǒng)關鍵規(guī)范指標。其次，即使定義了關鍵 EMI 規(guī)范指標，工程師由于缺少合適的仿真工具和建模方法來預測 EMI，而導致在后期測試中才發(fā)現(xiàn) EMI 的問題?！?/span>
而工程師后期發(fā)現(xiàn)問題再進行相應的整改時，解決 EMI 問題可能會更加困難、耗費大量時間和資金成本。實際上針對 EMI 的整改異常繁瑣，許多中小型公司自身不具備這類條件，大多數(shù)都要選擇第三方進行整改，如果整改措施改動較大，對于客戶的咨詢費用、設計時間、BOM 成本等都將是一筆不小的開銷。鑒于 EMI 可能在后期嚴重阻礙設計進度，因此必須在設計之初就考慮 EMI 問題，并將其指標貫穿整個產(chǎn)品設計周期。
如何從根源解決EMI問題針對部分電磁敏感的設備或系統(tǒng)來說，通常會采用 LDO 而不是開關電源，從而限制 EMI，但是這又會導致效率下降等不利影響。有沒有可以顯著解決 EMI 問題，并且無需太多額外設計開銷，同時又可以采用高效率開關電源的解決方案呢？
“解決 EMI 相關問題的關鍵是從源頭入手。”?Ramadass 說道。
EMI 給工程師的設計帶來了巨大挑戰(zhàn)，但電路板布局限制以及額外設計的屏蔽等因素并不意味著工程師沒有其他選擇，而實際上通過選擇具有 EMI 緩解技術的芯片，可以從源頭改善 EMI。這也和媒體近期在訪談工程師提到的，他們最常用的降低 EMI 的手段是選擇低 EMI 器件，不謀而合。
EMI 問題有多種形式，具體取決于受影響的頻段。為有效緩解 EMI 問題，德州儀器 (TI) 采用了一套綜合技術，即獨特的 IC 設計和封裝技術，可根據(jù)特定頻段解決 EMI 的主要來源。這有助于避免在其他頻段上出現(xiàn)次優(yōu)或無效的一刀切解決方案。
此外，為了從源頭上解決問題，工程師在設計時必須擁有良好的仿真和建模方法來預測? EMI。TI 獨特的 EMI 建模工具webench?使工程師能夠像設計高效率、高功率密度性能等一樣設計具有出色 EMI 性能的電源轉換器。
Ramadass 具體介紹了 TI 的綜合技術，如圖所示：
將 EMI 問題分解為特定頻段（低頻和高頻），就可以更有針對性地來解決這些特定頻率的每一個 EMI 問題。
對于低頻問題 (<30 MHz)，TI 的電源轉換器使用先進的擴頻和有源濾波技術來減輕 PCB 上所需的無源濾波負擔，以滿足并超越標準。這有助于終端系統(tǒng)變得更小、成本更低，同時滿足其 EMI 需求。
而對于與更高頻率（FM 頻段和 >100 MHz 頻段）相關的問題，TI 的電源轉換器利用各種柵極驅動器、封裝和無源集成技術從源頭上最大限度地減少 EMI 問題。這有助于解決傳統(tǒng)系統(tǒng)中通常需要的一些難以調試的接地和屏蔽問題。
由于 IC、組件和 PCB 設計之間的相互作用，“即使從源頭解決 EMI 之后，系統(tǒng)工程師在組裝終端設備時還需要考慮適當?shù)?EMI 指標，才能更好地發(fā)揮系統(tǒng)的功能?！?Ramadass 補充道。
集成有源濾波器和雙隨機擴頻技術TI 提供多種功能和技術來降低所有相關頻段的 EMI，其創(chuàng)新的技術優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：
- 改進的濾波器尺寸和成本：先進的擴頻和有源 EMI 抑制技術可降低產(chǎn)生的 EMI 的影響；
- 減少設計時間并降低設計復雜性：覆晶封裝、電容器集成和先進的柵極驅動器技術可從根本上降低源極產(chǎn)生的噪聲。
TI 在 2021 年新推出的 LM25149-Q1，是 TI 首款集成有源濾波器的芯片。相比外置有源濾波器，整體面積可縮小 50% 以上。與標準無源濾波器相比，有源濾波器可以提供更高水平的 EMI 衰減和更小尺寸的 π 濾波器。有源濾波器具有增益高、帶寬寬、輸出阻抗低、可以產(chǎn)生和吸收電流，檢測直流總線上的任何擾動，并注入與噪聲源相反的信號從而抵消干擾。LM25149-Q1 可在負載電流 >40% 的時候自動啟動有源電磁干擾濾波器，負載電流 <30% 時候則會自動禁用有源濾波器。
另外，LM25149-Q1 使用了雙隨機擴頻技術，將低頻的三角調制與高頻的偽隨機調制相結合，分別提高了低頻段和高頻段的 EMI 性能。該產(chǎn)品除了在 EMI 上具有顯著優(yōu)勢之外，在調整率、效率、溫升及紋波等性能指標上都有著出色表現(xiàn)。
除此之外，包括 LMQ61460 集成了旁路電容器，TPS25850-Q1 利用了擴頻頻率抖動技術，LM5157-Q1 則提供了包括 DRSS、外部時鐘同步以及 2.2MHz 開關功能等，UCC12050 集成了專用的變壓器等等，TI 針對不同的應用場景，不同的 EMI 現(xiàn)場，提供各類組合，使工程師可以更有針對性的進行 EMI 的改善。
總結“EMI 在某些設計中是一個棘手的問題，比如在汽車系統(tǒng)中，諸如信息娛樂、車身電子、ADAS 等。工程師在設計原理圖和繪制版圖時，需要隨時保持警惕。” Ramadass 強調。
除了汽車電子，工業(yè)和個人計算應用的快速發(fā)展對更快上市、更具成本效益、更小尺寸電子產(chǎn)品的需求也隨之增長，這將不可避免地給 EMI 提出新的挑戰(zhàn)。需要各種進階的 EMI 緩解技術，以保證產(chǎn)品設計順利通過業(yè)界通用 EMI 測試。
Ramadass 認為，工程師應該準備好以應對 EMI 挑戰(zhàn)。對于不經(jīng)常處理 EMI 問題的工程師來說，也要了解 EMI 的構成以及 EMI 的產(chǎn)生方式和原因，還要充分了解終端設備制造商需要滿足的各種標準。為此，TI 也提供了許多與 EMI 相關的資源和技術內(nèi)容，包括白皮書、培訓視頻等多種形式，供工程師學習交流。點擊下方視頻，看看 TI 如何應對 EMI 挑戰(zhàn)？
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