高速信号完整性——EMI的分析及其抑制方法

EMI:对外界或周围环境产生的电磁干扰强度。

电磁干扰度,EMI的辐射强度与频率的平方正比,因此将信号的频率提升一倍时,对应的EMI辐射强度,提高约4倍

三要素:  噪声源      耦合路径     接收器  。

测试项目:传导发射:辐射发射:传导抗扰:辐射抗扰:

选取寄生参数小的器件:电容的ESR和ESL尽量小, 电感的ESR尽量小。

一、从源头抑制EMI:

1、开关频率选择:     开关频率会极大影响整个电路的功率密度,而且针对不同器件、拓扑结构、最佳的开关频率也是变化的

对于开关电源而言:不是开关频率越高,功率密度就越高,目前这个阶段来说真正阻碍功率密度提高的是散热系统和电磁设计(包括EMI滤波器和变压器)和功率集成技术

要提高开关电源产品的功率密度,首先是提高其开关频率,能有效减小变压器、滤波电感、电容的体积,但由开关频率引起的损耗,而导致温升散热设计难,频率的提高也会导致驱动、EMI等一系列工程问题

2、频率抖动技术:  开关电源的工作频率并非固定不变,而是周期性的地变化来减小电磁干扰。   分散谐波能量

用以减少PWM驱动信号产生的电磁干扰。高效且可靠。在PWM芯片及TOPGX功率芯片上应用较多。

噪声幅值是EMI注意的重点:周期干扰所导致的谐波间距为基波频率的整数倍,采用频率抖动技术,可避免各次谐波能量的叠加, 使得噪声的能量分散、减小。

频率抖动技术需要调节PWM发生器的振荡器频率

3、*软开关技术:  在原电路中增加小电感、电容等谐振元件,在开关过程中引入谐振,消除电压、电流的重叠。     

                            降低开关损耗和开关噪声。 可有效解决开关损耗

软开关技术:准谐振电路    零开关PWM电路    零转换PWM电路

在工业上常用的软开关拓扑也仅仅包括移相全桥和一些谐振的拓扑如LLC,也有准谐振的flyback。

硬开关,在开关过程中电压与电流均不为0,出现重叠。

电压、电流变化很快,导致波形出现明显的过冲,导致开关噪声。

零电压开关与零电流开关:    

                         零电压开通:在开关开通前其两端的电压为0,开通时不会产生损耗和噪声;

                          零电压关断:与开关并联的电容能延缓开关后电压上升的速率,从而降低关断损耗;

                         零电流关断:开关关断前其电流为0,关断时无损耗和噪声;

                         零电流开通:与开关串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率,降低了开通损耗。

4、选用反向恢复好的二极管: 二极管的反向恢复电流,会带来高的di/dt,还会和漏感等寄生电感共同造成高的dv/dt。

5、吸收振荡尖峰: 尖峰干扰往往伴随着很高的频率,是重要的EMI发射源

           增大电容;    采用RCD的形式会优于RC吸收尖峰脉冲, D为整流二极管

6、从器件选择入手:涉及器件封装,器件的寄生参数。

7、从PCB布局布线入手:  增加地线层数量,信号层与地层的间距减少。 模数分隔。 大电流大功耗与敏感信号分开。 去耦电容。  考虑电源分割。

 敏感信号和干扰源之间的布局。    布线阻抗控制。   走线长度控制。   信号流出至信号流入的环路。

 低频信号,使电流流经电阻最小的路径。高频信号,使高频电流流经电感最小的路径。

因此当最小电感回流路径恰好在信号导线下面时,可以减小电流环路面积,从而减少EMI辐射能量。

差模辐射正比于电流、电流环路面积及频率的平方。

关键信号布的跨越分割区域   高速差分信号采用紧耦合方式。     带状线 微带线  。     多点网络的信号线拓扑结构。    去耦电容引线短粗。

20H    3W      接地设计,单点接地,多点接地。AGND DGND PGND  。地线宽度大

二、从耦合路径抑制EMI:

以开关电源为例分析,由于电路中的功率开关管的高速开关动作,其电压和电流的变化率都很高,上升沿和下降沿包含了丰富的高次谐波,所以产生的电磁干扰强度大 ;开关电源 的电磁干扰主要集中在二极管、功率开关器件以及与其相连的散热器和高频变压器附近;由于开关管的开关频率在几十KHZ到几MHZ,所以开关电源的干扰形式主要是传导干扰和近场干扰。其中传导干扰会通过噪声传播路径注入电网,干扰接入电网的其它设备。

1、滤波元件: 

共模电感:共模(CM)干扰,由dv/dt引起,通过PCB的杂散电容在两条电源线与地的回路中传播,干扰侵入线路和地之间,干扰电流在两条线路上各流过二分之一,以地位公共回路;在实际的电路中由于线路的阻抗不平衡,使共模信号干扰会转化为不一消除的串扰干扰。

差模电感:差模(DM)干扰,由di/dt引起,通过寄生电感、电阻在火线和零线之间的回路中传播,在两根线之间产生电流Idm,不与地线构成回路。

2、电源去耦:

合适的旁路和去耦电容设计。

3、添加屏蔽:  

屏蔽线缆:抑制辐射干扰

金属壳/盖屏蔽不同功能区:手机主板设计。

屏蔽网或金属屏蔽带:覆盖屏蔽层

设计成带状线或在信号两侧以地线做隔离屏蔽

4、串接阻尼电阻:

在时序允许的前提下,在关键信号的输出端串入小阻值的电阻,通常为22—33Ω,输出端串联小电阻能延缓上升/下降时间,并能使过冲及下冲信号变得平滑,进而减小输出的波形的高频谐波幅度,有效抑制EMI。

5、扩频:扩展频谱,将信号调制,将信号能量扩展到一个更宽的频率带上。

三、减少接收器受EMI的影响:

1、从接口电路上减少传导干扰

接口滤波、 共模电感  +接地电容 + 匹配电阻 +TVS管。   光耦隔离、变压器隔离

2、从布局和空间隔离屏蔽上减少辐射干扰

3、减少易受干扰的信号线长度,避免天线效应

传导干扰:

干扰信号通过导线传递

辐射干扰:

干扰信号通过空气或空间中的其它介质间接传递

差模干扰:

信号线自身之间的电势差造成的干扰

共模干扰:

信号与大地之间的电势差导致的干扰

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转载自blog.csdn.net/alala120/article/details/89884873
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