Diodes了解EMI有助于为汽车应用做出明智的决策

了解EMI有助于设计人员在为汽车应用选择开关转换器时做出明智的决策

电磁干扰（EMI）是多个市场产品中使用的快速开关电源转换器的一个问题。在一个系统中符合法规要求的转换器可能不会自动在另一个系统中符合法规要求。此外，为了符合法规要求，可能需要进行EMI滤波，这可能是整个系统尺寸、体积和成本的重要组成部分，因此了解适用于不同应用的标准至关重要。本文首先回顾开关转换器的电磁干扰来源和类型，然后解释工业和汽车市场产品监管标准之间的差异。最后，它展示了Diodes百利通亚陶晶振为使其DC-DC开关转换器之一符合严格的汽车标准而采用的技术。

开关转换器中的电磁干扰来源

现代电源中的开关具有非常快的开关时间，这意味着电压和电流波形的上升沿和下降沿更快。这些锐边在高频时会产生大量能量，是开关电源中EMI的主要来源。这种高频能量会在电源的谐振回路中引起振铃。有两种类型的EMI辐射:传导和辐射。传导发射由连接到电源转换器的导线和走线传输。由于这种噪声局限于电路中的特定端子或连接器，因此良好的电路板布局实践和滤波器设计可以确保在设计过程中相对较早地满足传导辐射要求。然而，辐射发射更具挑战性。印刷电路板上任何承载电流的东西都会辐射电磁场。板上的每条走线都是天线，每个铜平面都是谐振器。纯正弦波或DC电压之外的任何信号都会在整个信号频谱中产生噪声。即使经过精心设计，电源设计师也只能在系统经过测试后才能了解辐射的危害程度。不幸的是，辐射测试只能在设计完成后进行。滤波器可以通过衰减特定频率的信号强度来减轻电磁干扰。增加金属和磁屏蔽有助于衰减部分辐射，而铁氧体磁珠和其他类型的滤波器有助于降低PCB走线上的传导辐射。EMI无法完全消除，但可以衰减到不干扰其他通信或数字元件的水平。

传导发射的EMI标准

许多管理机构规定了设备产生的传导和辐射发射的允许水平，以保持电磁兼容性（EMC）。

消费者

多年来，旨在用于欧盟内部通信和信息技术（IT）终端设备的电源产品一直符合著名的欧洲标准EN 55022，该标准主要源自CISPR 22产品标准。然而，CISPR 22/EN 55022最近被并入CISPR 32/EN 55032。这一新的辐射标准涵盖多媒体设备，并已成为有效的协调EMC合规标准。石英晶振，EN 55022/32 A类和B类传导发射限值涵盖150kHz至30MHz频率范围内的准峰值和平均信号检测器。用于居住环境的设备必须符合B级限制，所有其他设备符合a级限制。

产业的

CISPR 11是工业、科学和医疗（ISM）射频（RF）电磁干扰的国际产品标准。它适用于各种设备，包括无线电力传输、充电设备、Wi-Fi系统、感应烹饪炉和电弧焊机。此外，一些工业终端设备具有CISPR 11中引用的专用系统级EMC测试标准。例如，IEC 61131-2对工厂自动化和过程控制应用中广泛使用的可编程逻辑控制器（PLC）提出了排放要求。其他系统级标准包括IEC 61800-3、可调速电机驱动系统的EMC要求以及实验室设备的IEC 61326-1。

汽车的

对于汽车电子产品设计师来说，相关的传导发射测试是CISPR 25中规定的测试。本国际标准适用于汽车部件和模块，使用一个或两个5H/50ω人工网络进行测量（取决于接地配置）。本标准涉及“车载接收器的保护”，以防止在特定频段的150kHz至108MHz频率范围内测量到的传导噪声。这些频率范围分布在调幅广播、调频广播和移动服务频段中，如图1所示。CISPR 25详细说明了峰值（PK）、准峰值（QP）和平均（AVG）信号探测器的传导发射限值。

图一。CISPR 25类传导发射限值

表1显示了5级的限值，这是CISPR 25中最严格的要求。这些限制相当具有挑战性，尤其是VHF和FM频段（范围为68MHz至108MHz）的18dB V平均（或38dB V峰值）限制，因为滤波器元件中的寄生效应会降低此类频率下的EMI滤波器衰减。


表1。传导电磁干扰限值

表2总结了传导发射的适用标准。CISPR标准适用于欧盟的产品，而FCC标准适用于美国。


表二。传导发射的主要产品标准概述

汽车辐射发射的电磁干扰标准

CISPR 25涵盖了车内的无线电接收，因此对各种无线电服务的频段进行了限制。该标准涵盖使用随车提供的天线进行部件或模块排放测量和整车排放测试。图2显示了使用峰值（PK）和AVG检测器的汽车应用组件/模块的5类辐射发射限值。最低测量频率与150kHz至300kHz的欧洲长波（LW）广播频段相关，最高频率为2.5GHz（蓝牙和Wi-Fi传输）。使用标称输出阻抗为50ω的线性极化电场天线进行测量。CISPR 25辐射发射测试标准比FCC或CISPR22更严格，接收器应放置在距离被测设备（DUT）1米远的地方，而CISPR 22则是10米远。


图二。CISPR 25类辐射限值，采用衬垫吸收体屏蔽外壳（ALSE）测试

汽车应用兼容型DC-DC降压转换器

这AP64350Q是一款符合汽车应用标准的3.5A同步降压转换器，贴片晶振，具有3.8V至40V的宽输入电压范围。该器件集成一个75mΩ高端功率MOSFET和一个45mΩ低端功率MOSFET，以提供高效率降压DC-DC转换。此外，它经过精心设计，具有降低电磁干扰的特性。其中包括一种专有栅极驱动器方案，可在不牺牲MOSFET导通和关断时间的情况下抵抗开关节点振铃，从而降低MOSFET开关引起的高频辐射EMI噪声。AP64350Q还具有开关频率抖动为6%的频率扩展频谱（FSS），通过不允许发射的能量长时间停留在任何一个频率上来降低EMI。

对AP64350Q进行了EMI测试，以确保符合CISPR 25类传导和辐射限值。图3显示了在500kHz开关频率下测试AP64350Q的滤波级。

测试期间更高的负载会导致更多的EMI，但这是意料之中的。即使使用这些级滤波器，如果DUT被屏蔽以抑制所有产生的噪声，它有时也可能仅满足EMI限制。屏蔽层必须连接到0V，以提供最佳EMI性能。使用接地屏蔽使AP64350Q符合所有CISPR 25类限制，如表3所示。虽然使用共模电感有助于改善EMI性能，但这种改善微不足道，因为产生的大部分噪声是差分噪声。


表3。AP64350Q降压DC-DC转换器的传导和辐射发射测试结果

结论

传导和辐射EMI与所有电子元件相关，尤其是开关转换器，因此已制定标准来规范其在不同市场和地区的影响。CISPR 25 Class 5规定了汽车应用产品的标准，是最严格的标准。除非使用多级滤波和屏蔽技术，否则即使设计良好的开关转换器也可能达不到这一标准。Diodes晶振公司的AP64350Q是一款降压转换器，符合CISPR 25汽车应用5类限制。