電磁干擾（EMI）的標準、成因和緩解技術
// 降低 EMI 的傳統與進階技術：車用與工業電源設計解析
發佈於 2021-05-15 05:08:34 Yogesh Ramadass，德州儀器 (TI)
工業、汽車與個人計算應用中的電子系統愈發密集且互相連接。為了改善這類系統的尺寸和功能，因此在封裝各種不同電路時皆採取近封裝距離，有鑒於前述限制，降低 EMI 影響也逐漸成為重要的系統設計考慮。
工業、汽車與個人計算應用中的電子系統愈發密集且互相連接。為了改善這類系統的尺寸和功能，因此在封裝各種不同電路時皆採取近封裝距離。有鑒於前述限制，降低電磁干擾 (EMI) 影響也逐漸成為重要的系統設計考慮。
圖 1 所示的車用攝影機模組就是這類多功能系統其中一個範例，該模組內的兩百萬圖元成像元件、 4Gbps 的串聯器及四通道電源管理 IC (PMIC) 皆以近距離封裝在一起。如此會使複雜度和密度隨之提升並帶來副作用，也就是使成像元件與信號處理元件緊鄰 PMIC，而 PMIC 帶有高電流與電壓。除非在設計期間能夠小心留意，否則前述的配置方式勢必會導致一系列電路對敏感元件的功能造成 EMI。
圖1 車用攝影機模組。
EMI 可能會以兩種方式顯現。例如連接相同電源供應器的無線電和電機鑽就是一例，如圖 2 所示。在本例中，敏感無線電系統的運作會透過傳導方式受到電機影響，因為這兩者共用相同的電源插座。電機也會透過電磁輻射對無線電的功能造成影響，因為前述電磁輻射會透過空氣耦合，並受到無線電天線接收。
圖2 透過傳導和電磁方式造成的 EMI。
共用 EMI 標準
用於限制干擾的規定採用業界標準規格建立，例如適用汽車產業的國際無線電干擾特別委員會 (CISPR) 25，以及適用多媒體設備的 CISPR 32。CISPR 標準是 EMI 設計的重要關鍵，因其可決定任何 EMI 降低技術的目標性能。 CISPR 標準可根據干擾模式分類為傳導式限制和輻射式限制，如圖 3 所示。圖 3 圖表中的長條代表最大的傳導式和輻射式排放限制，這是使用標準 EMI 測量設備進行測量時，受測設備所能容許的上限。
圖3 傳導式和輻射式 EMI 的一般標準。
EMI 的成因
若要建立相容於 EMI 標準的系統，需要清楚瞭解 EMI 的主要成因。現代電子系統中，最常見的電路之一就是硬式切換電源供應器 (SMPS)，可在多數應用中相較線性穩壓器大幅提升效率。但這樣的效率必須付出代價，因在 SMPS 中切換功率場效應電晶體，會使其成為主要 EMI 來源。
如圖 4 所示，在 SMPS 中進行切換的本質，會導致產生非連續輸入電流、在切換節點的高邊緣速率，以及電源回路中因寄生電感而在切換邊緣產生的其他振鈴。非連續電流會影響低於 30 MHz 頻段的 EMI，而在切換節點的高邊緣速率以及振鈴則會影響 30～100 MHz 頻段的 EMI，以及高於 100 MHz 頻段的 EMI。
圖4 SMPS 運作期間的主要 EMI 來源。
降低 EMI 的傳統和進階技術
在傳統設計中，主要使用兩種方法降低切換轉換器產生的 EMI，而兩種方法都會造成相關的損失。為了處理低頻 (< 30 MHz) 排放並符合適用標準，會在切換轉換器的輸入處放置大型被動濾波器，造成解決方案更為昂貴、功率密度更低。
一般降低高頻排放的方式，則是透過有效的柵極驅動器設計來降低切換邊緣速率。雖然這麼做有助降低高於 30 MHz 頻段的 EMI，但是降低的邊緣速率會導致切換損失增加，進而使解決方案的效率降低。換句話說，為了實現低 EMI 的解決方案，註定需在功率密度和效率上做出取捨。
為了免除取捨的需要並且一併獲得高功率密度、高效率，以及低 EMI 的優勢，TI 在設計 LM25149-Q1、LM5156-Q1 和 LM62440-Q1 等切換轉換器和控制器時，加入了多種技術，如圖 5 所示。前述技術包含展頻、主動 EMI 濾波、抵銷線圈、封裝創新、整合式輸入旁路電容及真實電壓轉換率控制方法等，且這些技術都經過設計，針對所需的特定頻段量身打造。
圖5 TI 功率轉換器與控制器為大幅降低 EMI 而採用的技術。
結論
設計低 EMI 可顯著縮短開發週期時間，並可減少機板面積和解決方案成本。TI 提供多種可降低 EMI 的功能與技術。以 TI 經過 EMI 優化的電源管理產品來運用不同技術組合，可確保使用 TI 元件的設計通過業界標準而無需過多重做。
責編：Luffy Liu