在我先前关于EMI的文章中，我们研究了EMI源的有意/无意性质以及它们如何影响其周围其他电气/电子设备（受害者）的性能。紧随其后的是另一篇有关电磁兼容性（EMC）的文章，该文章提供了有关EMI危险的见解，并提供了一些有关EMI的考虑因素如何由于法规限制或功能故障而对产品的市场性能产生负面影响的背景。
这两篇文章都包含了如何使设计中的EMI（发送或接收）最小化的广泛技巧，但是在接下来的几篇文章中，我们将进行更深入的探讨，并研究如何将电子产品的某些功能单元中的EMI最小化。我们将以降低开关电源的EMI（特别是开关模式电源）为开端。
开关模式电源是AC-DC或DC-DC电源的通用术语，这些电源使用具有快速开关动作的电路进行电压转换/转换（降压或升压）。它们具有效率高，外形小巧和低功耗的特点，尽管它们与二手电子产品相比要复杂得多且难以设计，但却使其成为新电子设备/产品的首选电源。受欢迎的线性电源。然而，除了其设计的复杂性之外，SMPS还因其采用的快速开关频率而面临严重的EMI产生威胁，从而达到了众所周知的高效率。
随着每天开发出更多的设备（潜在的EMI受害者/源），克服EMI成为工程师面临的主要挑战，实现电磁兼容性（EMC）与使设备正常运行同等重要。
对于今天的文章，我们将研究SMPS中EMI的性质和来源，并研究可用于缓解这些问题的一些设计技术/方法。
SMPS中的EMI来源
解决任何EMI问题通常需要了解干扰源，与其他电路（受害者）的耦合路径以及对性能造成负面影响的受害者的性质。在产品开发期间，通常几乎不可能确定EMI对潜在受害者的影响，因此，EMI控制工作通常集中在最小化排放源（或降低磁化率）和消除/减少耦合路径上。
SMPS电源中EMI的主要来源可以追溯到其固有的设计特性和开关特性。在从AC-DC或DC-DC转换的过程中，SMPS中的MOSFET开关组件在高频下导通或关断都会产生错误的正弦波（方波），傅立叶级数可将其描述为许多具有谐波相关频率的正弦波之和。开关动作产生的谐波的完整傅里叶频谱变成了EMI，从电源传输到设备中的其他电路以及附近容易受到这些频率影响的电子设备。
除了开关噪声之外，SMPS的另一个EMI来源是快速电流（dI / dt）和电压（dV / dt）转换（这也与开关有关）。根据麦克斯韦方程，这种交流电和电压会产生交变电磁场，尽管该场的大小会随着距离的增加而减小，但它会与导电部件（如PCB上的铜走线）相互作用，这些部件就像天线一样，在线路上产生额外的噪声，导致EMI。
现在，直到源头的EMI耦合到相邻电路或设备（受害人）之前，它的危害才（有时）如此危险，因此，通过消除/最小化潜在的耦合路径，通常可以降低EMI。如“ EMI简介”文章中所述，EMI耦合通常通过以下方式发生：传导（通过不需要的/改变用途的路径或所谓的“隐身电路”），感应（通过电感性或电容性元件（如变压器）进行耦合）和辐射（空中）。
通过了解这些耦合路径以及它们如何影响开关模式电源中的EMI，设计人员可以以使耦合路径的影响最小化和减少干扰传播的方式创建系统。
不同类型的EMI耦合机制
我们将研究与SMPS相关的每种耦合机制，并建立引起它们存在的SMPS设计要素。
SMPS中的辐射EMI：
当源和受体（受害人）充当无线电天线时，就会发生辐射耦合。源辐射电磁波，该电磁波在源与受害者之间的开放空间中传播。在SMPS中，辐射EMI传播通常与具有高di / dt的开关电流有关，这是由于不良的设计布局以及存在会引起漏感的布线习惯而导致具有快速电流上升时间的环路的存在而加剧的。
考虑下面的电路；
电路中快速的电流变化除了正常的电压输出（Vmeas）外，还会产生一个噪声电压（Vnoise）。耦合机制类似于变压器的操作，因此Vnoise由等式给出；
V噪声= R M /（R S + R M）* M * di / dt
M / K是耦合因子，它取决于磁环路的距离，面积和方向，以及所讨论的环路之间的磁吸收，就像在变压器中一样。因此，在考虑较差的环路方向和较大的电流环路面积的设计/ PCB布局中，往往会出现较高水平的辐射EMI。
SMPS中的传导EMI：
当EMI辐射沿着将EMI源和接收器连接在一起的导体（导线，电缆，外壳和PCB上的铜走线）通过时，就会发生传导耦合。以这种方式耦合的EMI在电源线上很常见，在H场组件上通常很重。
SMPS中的传导耦合可以是共模传导（在+ ve和GND线上出现同相干扰）或差分模式（在两个导体上出现异相）。
共模传导发射通常是由寄生电容（如散热器和变压器的寄生电容）以及电路板布局以及开关两端的开关电压波形引起的。
另一方面，差模传导发射是开关动作的结果，该开关动作导致输入端出现电流脉冲并产生开关尖峰，从而导致差分噪声的存在。
SMPS中的感应EMI：
感应耦合时，有一个电（由于电容耦合）或磁（由于电感耦合）的源极与受害者之间EMI感应发生。当两个相邻导体之间存在变化的电场时，会发生电耦合或电容耦合，从而在它们之间的间隙上引起电压变化；而当两个平行导体之间存在变化的磁场时，会发生磁耦合或电感耦合。沿接收导体的电压。
综上所述，虽然SMPS中主要的EMI来源是高频开关动作以及由此产生的快速di / dt或dv / dt瞬态，但使能器有利于将产生的EMI传播/传播到同一板上的潜在受害者（或外部系统）是由不良的组件选择，不良的设计布局以及电流路径中存在杂散电感/电容引起的因素。
降低SMPS中EMI的设计技术
在阅读本节之前，最好先了解一下EMI / EMC周围的标准和法规，以提醒设计目标是什么。尽管国家/地区之间的标准有所不同，但是由于协调一致，两个国家/地区最广为接受的标准在大多数区域都可以接受认证；FCC EMI控制法规和CISPR 22（国际无线电干扰特别委员会（CISPR）第三版，出版物22）。我们在前面讨论的EMI标准文章中总结了这两个标准的复杂细节。
通过EMC认证过程或仅要确保您的设备在其他设备周围正常运行时，要求您将排放水平保持在标准中规定的值以下。
存在许多减轻SMPS中EMI的设计方法，我们将尝试一一介绍。
1.线性化
坦白地说，如果您的应用程序能够承受（体积庞大且效率低下的特性），则可以使用线性电源来为自己节省很多与电源相关的EMI压力。它们不会产生明显的EMI，并且不会花费那么多的时间和金钱来开发。就其效率而言，即使它可能无法与SMPS相提并论，您仍然可以通过使用LDO线性稳压器来获得合理的效率水平。
2.使用电源模块
遵循最佳做法有时无法获得良好的EMI性能。在您似乎找不到时间或其他资源来调谐并获得最佳EMI结果的情况下，通常可行的一种方法是切换到电源模块。
电源模块并不是完美的，但是它们做得很好可以确保您不会陷入常见的EMI陷阱，例如不良的设计布局和寄生电感/电容。市场上一些最佳的电源模块已经满足了克服EMI的需求，并被设计为可以开发具有良好EMI性能的快速简便的电源。村田制作所，Recom，Mornsun等制造商拥有种类繁多的SMPS模块，这些模块已经为我们解决了EMI和EMC问题。
例如，它们通常具有大多数组件，例如电感器，它们内部连接在封装内部，因此，模块内部存在很小的环路面积，从而降低了辐射EMI。一些模块甚至可以屏蔽电感器和开关节点，以防止线圈产生电磁辐射。
3.屏蔽
降低EMI的蛮力机制是用金属屏蔽SMPS。这是通过将电源中产生噪声的源放置在接地的导电（金属）外壳内来实现的，与外部电路的唯一接口是通过串联滤波器。
但是，屏蔽会增加材料的成本，并增加项目的PCB尺寸，因此，这对于具有低成本目标的项目可能不是一个好主意。
4.布局优化
设计布局被认为是促进EMI在电路中传播的主要问题之一。这就是为什么减少SMPS中的EMI的广泛而通用的技术之一就是布局优化。有时这是一个相当模糊的术语，因为它可能意味着不同的事情，从消除寄生组件到将噪声节点与噪声敏感节点分离，以及减小电流环路面积等。
SMPS设计的一些布局优化技巧包括：
保护对噪声敏感的节点免受嘈杂节点的影响
可以通过将它们放置在尽可能远的位置以防止它们之间发生电磁耦合来实现。下表提供了一些噪声敏感和嘈杂节点的示例；
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嘈杂的节点 |
噪声敏感节点 |
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电感器 |
感应路径 |
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交换节点 |
补偿网络 |
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高dI / dt电容器 |
反馈针 |
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场效应管 |
控制电路 |
保持噪声敏感节点的轨迹短
PCB上的铜走线充当辐射EMI的天线，因此，防止直接连接到噪声敏感节点的走线获得辐射EMI的最佳方法之一是通过将它们所移到的组件保持尽可能短的方式来进行。尽可能紧密地连接。例如，来自电阻分压器网络的长走线会馈入反馈（FB）引脚，可以充当天线并拾取周围的辐射EMI。反馈到反馈引脚的噪声会在系统输出端引入额外的噪声，从而使器件的性能不稳定。
减少临界（天线）环路面积
带有开关波形的走线/导线应尽可能靠近。
辐射EMI与电流（I）的大小和流过的环路面积（A）成正比，因此，通过减小电流/电压的面积，我们可以降低辐射EMI的水平。对电源线执行此操作的一种好方法是将电源线和返回路径彼此重叠放置在PCB的相邻层上。
最小化杂散电感
可以通过增加PCB上走线（电源线）的尺寸并将其平行于其返回路径布线以减小走线的电感，来减小线环的阻抗（这会导致辐射EMI与面积成正比）。。
接地线
位于PCB外表面的不间断接地层为EMI提供了最短的返回路径，尤其是当它直接位于EMI源下方时，可显着抑制辐射EMI。但是，如果允许其他走线切穿地平面，则可能会成为问题。切口可能会增加有效环路面积，并导致明显的EMI级别，因为返回电流必须找到一条较长的路径来绕过切口，以返回电流源。
筛选器
EMI滤波器是电源的必需品，尤其是对于减轻传导EMI而言。它们通常位于电源的输入和/或输出处。在输入端，它们有助于滤除市电噪声，在输出端，可以防止电源噪声影响电路的其余部分。
在设计用于减轻传导EMI的EMI滤波器时，通常重要的是将共模传导发射与差模发射分开对待，因为用于解决这些问题的滤波器参数是不同的。
对于差模传导EMI滤波，输入滤波器通常由电解电容器和陶瓷电容器组成，以在较低的基本开关频率和较高的谐波频率下有效衰减差分模式电流。在需要进一步抑制的情况下，在输入端串联一个电感，以形成一个单级LC低通滤波器。
对于共模传导EMI滤波，可通过在电源线（输入和输出）与地之间连接旁路电容器来有效地实现滤波。在需要进一步衰减的情况下，可以将耦合扼流电感器与电源线串联添加。
通常，滤波器设计在选择组件时应考虑最坏情况。例如，高输入电压时共模EMI最高，而低电压和高负载电流时差模EMI最高。
结论
设计开关电源时通常考虑到上述所有要点，这实际上是将EMI缓解称为“黑暗技术”的原因之一，但是随着您对它的适应，它们已成为第二自然。 。
得益于物联网和技术的不同进步，电磁兼容性以及每台设备在正常运行条件下正常运行而不影响附近其他设备运行的总体能力比以往任何时候都更加重要。设备必须不易受到附近有意或无意来源的EMI的影响，并且同时还必须辐射（有意或无意）干扰水平，以免导致其他设备发生故障。
出于与成本相关的原因，在SMPS设计的早期阶段考虑EMC是很重要的。同样重要的是要考虑将电源连接到主设备会如何影响这两个设备中的EMI动态，因为在大多数情况下，尤其是对于嵌入式SMPS，电源将与设备一起作为一个单元进行认证，并且任何失效都将通过认证。两者都可能导致失败。