开关电源中EMI的来源以及降低EMI的方法或技术。电源模块（控制器、高侧和低侧FET及电感器封装为一体）可以帮助降低EMI。

开关电源中EMI的来源

首先，必须尊重物理定律。根据麦克斯韦方程组，交流电可产生电磁场。每个电导体中均会出现这种现象，其自身带有一些可以形成振荡电路的电容和电感。该振荡电路以特定频率（f=1/(2*π*sqrt(LC))）将电磁能辐射到空间中。该电路充当电磁能的发射器，但也可以接收电磁能并充当接收器。天线设计是为了最大化传输或接收能量。

但并非每个应用都应该像天线一样，而且这种设计可能会产生负面影响。例如，开关降压电源设计用于将较高的电压转换为较低的电压，但它们同时也充当了（有害的）电磁波发射器，可能干扰其他应用，例如干扰AM频段。这种效应称为EMI。

为了确保功能正常运行，最大限度地减少EMI源非常重要。国际无线电干扰特别委员会（CISPR）定义了各种标准，如作为汽车电气应用基准的CISPR 25，以及针对信息技术设备的CISPR 22。

如何降低电源设计的EMI辐射呢？一种方法是用金属完全屏蔽开关电源。但在大多数应用中，由于成本和空间的原因，这种方法无法实现。一种更好的方法是减少和优化EMI源。许多文献已经详细讨论了这一专题；本文推荐了两种方式。

让我们回顾一下开关电源中EMI的主要来源，以及为什么电源模块可以帮助您轻松降低EMI。

减小布局中的电流环路

顾名思义，开关电源是用来进行转换的。它们的作用是以几百千赫到几兆赫的频率打开和关闭输入电压。这就导致了快速电流转换（dI/dt）和快速电压转换（dV/dt）。根据麦克斯韦方程组，交流电流和电压产生交变电磁场。这些电磁场从其原点径向扩散，它们的强度随距离而降低。

图1.来自开关电源的EMI会对负载和主电源产生影响。

图2.在输入端、开关和输入电容器之间形成临界电流环路。

图3.减小环路区域有助于降低EMI

磁场和电场会干扰应用的导电部件（例如，印刷电路板[PCB]上的铜迹线，就像天线一样）并在线路上产生额外的噪声，这样又会导致发生EMI（见图1）。实际上几瓦功率的转换就会扩大EMI的辐射范围。

图4.引脚排列有助于减小环路面积。左图：优化的引脚排列；右图：非优化布局，几乎无法形成良好的布局。

辐射的电磁能与其流过的电流量（I）和环路面积（A）成正比。减小交流电流和电压环路的面积有助于降低EMI（见图2和图3）。

着眼于引脚排列（见图4）可以帮助您通过减小高dI/dt环路面积来更好地设计良好布局。例如，开关节点能够引发高电流变化（dI）和高电压转换（dV）。良好的引脚排列可以分离噪声敏感引脚和噪声引脚。开关节点和启动引脚应尽可能远离噪声敏感型反馈引脚。此外，输入引脚和接地引脚应相邻。这样便简化了PCB上的布线和输入电容器的放置。

图5显示了LMR23630 SIMPLE SWITCHER®转换器的改进评估模块（EVM）。两个输入电容器距离输入引脚约2.5厘米。之所以如此排列，是为了模拟不良布局，因为电流环路区域（图5中的红 {MOD}矩形）比数据表所要求和建议的要大。图5中的椭圆形红 {MOD}形状表示转换器和电感器之间的开关节点。IC和电感器之间的环路面积越小越好。

图5.输入引脚和输入电容器之间环路面积（红 {MOD}矩形）较大的错误布局示例。在IC和电感器之间形成第二个环路区域（椭圆形红 {MOD}形状）。

图6中的曲线图显示了LMR23630转换器的EMI辐射，其中只有VIN、GND和输入电容器之间形成的环路面积不同。良好的布局中电容器尽可能靠近输入引脚和接地引脚（环路面积尽可能地小）。而不良的布局中输入电容器距离输入引脚2.5厘米，从而形成一个较大的环路面积。

图6.LMR23630转换器输入电容布局对EMI辐射的影响。

图6中曲线图的红线表示不良布局的EMI辐射。蓝线表示采用相同EVM的良好布局的EMI辐射。修改一个环路面积会产生巨大的影响。LMR23630转换器的EMI辐射水平可降低20 dBμV/m以上。

图7.不同类型电源模块的内部组成。在这两种情况下，电感器均位于IC晶片的顶部。

因此，在采用降压转换器或降压电源模块进行设计时，如何放置输入电容器应该是首要考虑因素之一。电源模块还具有以下优点：电感器和IC之间的关键环路面积已经过优化。电感器在封装内部与集成电路连接（见图7）。这种放置方式会在封装内部形成一个较小的环路区域。因此，不必将噪声开关节点布线在印刷电路板上。

电源模块中屏蔽了其中的大多数电感器，以防止来自线圈的电磁辐射。在非常靠近电感器的地方会发生高电流电压转换，并且开关节点的一部分电磁场受到屏蔽，电感器位于引线框架的顶部（见图7）。

保护噪声敏感节点免受噪声节点的影响

尽可能缩短噪声敏感节点，并远离噪声节点。例如，从电阻分压网络到反馈（FB）引脚的长迹线可以充当天线并捕获电磁辐射干扰的噪声（图10）。这种噪声会被引入FB引脚，致使输出端产生额外的噪声，甚至使器件不稳定。在设计开关降压调节器的布局时，将这一切都考虑在内是一个挑战。

表1.降压转换器中噪声敏感节点和噪声节点的示例。

图10.始终将FB引脚上的电阻分压器尽可能靠近FB引脚放置。

模块的优势在于将噪声敏感节点和噪声节点保持在最低限度，从而最大限度地减小错误布局的几率。唯一要注意的是保持FB引脚的迹线尽可能短。

结论

在开关降压转换器中有许多用来调节EMI的旋钮，但用来实现最佳方案可能还不够方便。找到最佳配置会花费大量宝贵的设计时间。电源模块早已包括FET和电感器，这就使得创建和完成具有良好EMI特性的电源设计变得简单而又快捷。使用降压模块进行设计时最关键的一点是一些外部元件的放置方式，这有助于显著提高EMI特性。

转换器和电源模块的EMI比较

前文说明了开关电源中EMI的来源以及如何降低EMI。现在，本文将通过比较转换器和使用相同集成电路（IC）的电源模块之间的测量结果，来演示模块如何帮助减轻EMI辐射。两者均来自TI的SIMPLE SWITCHER产品线，转换器为LMR23630，电源模块为LMZM33603，采用LMR23630 IC。通过对两个器件的EVM做部分更改，以获得相同的BOM数，因此结果仅取决于所选部件（转换器或电源模块）和布局。两种EVM均具有良好的优化布局。之后，将电容器放置在远离输入引脚的位置，就生成了不良布局。

LMR23630转换器的性能

SHAPE  * MERGEFORMAT

转换器 - LMR 23630

良好布局

电容器靠近

电容器远离

无电容器

频率[MHz]

良好布局

小电容器靠近

小电容器远离

无小电容器

电平[dBµV/m]

CISPR 22 A3M级

图11.具有不同输入电容布局的LMR23630转换器的EMI辐射。

图11显示了不同设计布局的四种不同EMI频谱。设计布局从优至劣排列（类似于图5，只是把各步骤分开）。第一次测量（良好布局/蓝线）时，未对EVM的布局做出更改（良好布局中所有的输入电容器都非常靠近输入引脚）。第二次测量（小电容器靠近/红线）时，两个4.7μF电容器均放置在距输入引脚2.5厘米处。0.22μF的小电容器非常靠近输入引脚。在第三（小电容器远离/绿线）和第四（无小电容器/紫线）次测量时，小电容器分别距输入引脚2.5厘米，然后完全移除。

您可以在图11中看到输入电容器的放置非常关键。将小输入电容器远离输入引脚放置或将其完全移除会违背CISPR 22 A3M级标准。将小电容器靠近输入引脚放置可以最大限度地减少高频环路面积。小电容器可滤除高频噪声，而较大电容的电容器可滤除低频噪声。

电源模块的封装中通常包含一个小输入电容器。让我们看看布局不良时电源模块的性能。

LMZM33603电源模块的性能

图12显示了电源模块的EVM布局，同样从优至劣排列。蓝线表示未更改EVM的EMI辐射。红线和绿线表示不良布局，其中一条线有两个4.7μF输入电容器，位于PCB底部下方（红线）。绿线的电容器距输入引脚约3.5厘米（图13中以红 {MOD}椭圆形突出显示）。图13中的红 {MOD}粗线还显示了更改后的EVM，以及VIN、输入电容器和接地之间形成的关键环路区域。EMI特性变差，但并不违背CISPR 22 A3M级标准。

图12.TI LMZM33603电源模块的EMI辐射特性

图13.TI LMZM33603电源模块的不良布局示例。

电源模块可以补救布局设计错误

图14在单个图表中对LMR23630转换器（红线）和LMZM33603电源模块（蓝线）做出了对比。两者均有类似的不良布局，所有外部输入电容器都远离输入引脚。

显然，LMZM33603电源模块的EMI辐射特性要优于LMR23630转换器。尽管两种布局均不完美，但电源模块会通过CISPR测试，而转换器无法通过测试。

图14.比较TI LMR23630转换器和LMZM33603电源模块的EMI特性。

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