開關(guān)電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)

伍 穎，唐毓豪

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541000）

0 引 言

為提高開關(guān)電源的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）抑制和抗干擾能力，保證設(shè)備的正常運(yùn)行，工程師們需要深入研究和設(shè)計(jì)合理的電路布局與濾波設(shè)計(jì)措施，特別是在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的設(shè)計(jì)中，電源電路的EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)顯得尤為重要。PCB 板設(shè)計(jì)的EMI問題關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

1 開關(guān)電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)意義

開關(guān)電源是現(xiàn)代電子設(shè)備中常用的電源類型，它具有高效率、小體積以及穩(wěn)定輸出等優(yōu)點(diǎn)。然而，開關(guān)電源在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻脈沖，這會(huì)引起EMI 和其他干擾問題。為確保電子設(shè)備的正常運(yùn)行和滿足國際EMI 標(biāo)準(zhǔn)，開關(guān)電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)非常重要。EMI 抑制設(shè)計(jì)的意義主要包括以下幾點(diǎn)。第一，符合法規(guī)要求。各個(gè)國家都制定電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）標(biāo)準(zhǔn)，要求電子設(shè)備在工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過多的EMI 干擾。通過EMI 抑制設(shè)計(jì)，開關(guān)電源能夠有效降低EMI 輻射和傳導(dǎo)，確保設(shè)備符合法規(guī)要求并取得相應(yīng)的認(rèn)證。第二，防止對(duì)其他設(shè)備的干擾。開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻脈沖干擾不僅可能影響到設(shè)備自身的正常運(yùn)行，還可能對(duì)其他附近的電子設(shè)備造成干擾。EMI 抑制設(shè)計(jì)可以降低開關(guān)電源對(duì)周圍設(shè)備的電磁干擾，保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。第三，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。電磁干擾會(huì)對(duì)電子設(shè)備的正常工作產(chǎn)生不利影響，可能導(dǎo)致設(shè)備性能下降、信號(hào)失真、系統(tǒng)崩潰等問題。通過EMI 抑制設(shè)計(jì)，可以有效降低設(shè)備受到的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。第四，減少電源噪聲。開關(guān)電源的高頻脈沖會(huì)產(chǎn)生較大的電源噪聲，這對(duì)一些對(duì)電源質(zhì)量要求較高的敏感電子設(shè)備來說是不可接受的。EMI 抑制設(shè)計(jì)可以有效減少電源噪聲，提供干凈、穩(wěn)定的電源給其他設(shè)備使用。開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)

2 開關(guān)電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 PCB 板布局布線設(shè)計(jì)

開關(guān)電源作為一種常見的電源供應(yīng)單位，其在電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用。然而，由于其高頻開關(guān)操作和電源線傳輸?shù)忍匦裕赡軙?huì)引發(fā)輻射和傳導(dǎo)的EMI，對(duì)設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。因此，為保證開關(guān)電源的穩(wěn)定性和可靠性，針對(duì)EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)，在PCB 板前期設(shè)計(jì)規(guī)劃和后期布局布線時(shí)需要特別關(guān)注以下要點(diǎn)：第一，輸入與輸出區(qū)域隔離。為防止輸入和輸出之間的互相干擾，應(yīng)該采取有效的隔離措施，將輸入和輸出區(qū)域分隔開來。通常情況下，可以通過PCB 板地平面的分割或金屬屏蔽罩來實(shí)現(xiàn)區(qū)域分隔。第二，地線設(shè)計(jì)。良好的地線設(shè)計(jì)對(duì)于EMI 抑制至關(guān)重要。地線應(yīng)該盡可能低阻抗、低電感，并且在整個(gè)電路板上均勻分布。同時(shí)，要避免地線環(huán)路的形成，以減少回流電流引起的電磁輻射。第三，濾波器的使用。在輸入和輸出電路中加入濾波器可以有效減輕電磁干擾，常用的濾波器包括電容濾波器和電感濾波器，在設(shè)計(jì)中可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的濾波器類型與參數(shù)。第四，電源線和信號(hào)線的布局。在PCB 設(shè)計(jì)中，應(yīng)該避免電源線和信號(hào)線的平行走向，盡量交錯(cuò)布局，或者采用相對(duì)角度較大的方式布置，以減少互相之間的干擾。第五，PCB 板疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。不同信號(hào)層和電源層的布局與堆疊方式也會(huì)對(duì)EMI 抑制產(chǎn)生影響。通過適當(dāng)?shù)寞B層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以降低信號(hào)層之間的耦合與互相干擾。第六，地平面和電源平面。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該充分考慮地平面和電源平面的規(guī)劃。地平面和電源平面的充分覆蓋可以有效減少電磁輻射，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。第七，引線和連接器的選擇。對(duì)于高頻開關(guān)電源，合適的引線和連接器選擇也非常重要。應(yīng)該選擇低阻抗、低電感的引線和連接器，以減少電磁干擾。總之，EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過正確的輸入和輸出區(qū)域隔離設(shè)計(jì)，合理選擇濾波器、地線、引線以及連接器，并注意PCB板疊層結(jié)構(gòu)及電源、地平面設(shè)計(jì)，提高開關(guān)電源的抗干擾能力，確保電子設(shè)備的正常工作。開關(guān)電源的PCB Layout 版圖如圖2 所示。

圖2 開關(guān)電源的PCB Layout 版圖

2.2 電源線的濾波和終端抑制

電源線的濾波和終端抑制是開關(guān)電源PCB 板EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。通過有效的電源線濾波和終端抑制措施，可以降低開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻噪聲和電磁干擾，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。電源線濾波是通過合理的電路設(shè)計(jì)和濾波元件選擇，在開關(guān)電源的輸入和輸出端對(duì)高頻噪聲進(jìn)行濾除的過程。其主要目的是減少由于電源線上的高頻噪聲傳播而引起的EMI 輻射和干擾其他設(shè)備的可能性。在電源線的濾波設(shè)計(jì)中，需要考慮以下要點(diǎn)。

首先，濾波器類型。根據(jù)實(shí)際需求和設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)臑V波器類型。常見的濾波器包括LC 濾波器、RC 濾波器以及Pi 型濾波器等。其次，濾波器參數(shù)。根據(jù)電源線的特性和工作頻率范圍，確定合適的濾波器參數(shù)。其中主要包括電容值、電感值以及阻值等。合理的參數(shù)選擇能夠有效地濾除高頻噪聲。最后，濾波電路布局。在PCB 板設(shè)計(jì)中，合理布局濾波電路。對(duì)于輸入端濾波，通常將電容和電感布置在輸入端附近，以最大限度地減小電源線上的高頻噪聲。

對(duì)于輸出端濾波，也需要布置合適的濾波電路來濾除輸出電壓的高頻波動(dòng)。電源線的終端抑制是針對(duì)電源線末端信號(hào)的干擾進(jìn)行抑制的措施，其目的在于減少信號(hào)在電源線上的傳播和反射，以避免干擾其他設(shè)備和系統(tǒng)。

電源線終端抑制的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮以下要點(diǎn)。一是布局布線設(shè)計(jì)。盡可能采用較短的電源線，減少線路長度和電源回路面積，并避免電源線與信號(hào)線、高速數(shù)據(jù)線等相互交叉的情況，以減少互相干擾的可能性。三是端接電阻設(shè)計(jì)。在電源線的末端添加合適的端接電阻，能夠降低電源線的反射和回波，并提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。三是終端降噪電路設(shè)計(jì)。通過添加降噪電路，如降噪電感和降噪電容等元件，對(duì)終端信號(hào)進(jìn)行濾波和抑制。降噪電感和降噪電容能夠有效吸收高頻噪聲和電磁干擾。四是地線設(shè)計(jì)。合理設(shè)計(jì)和布置地線，保證地線回流電流的路徑短、分布均勻，并與電源線分開布置，減少相互干擾。通過電源線的濾波和終端抑制設(shè)計(jì)，可以有效降低開關(guān)電源PCB 板產(chǎn)生的高頻噪聲和電磁干擾。這些措施有助于提高系統(tǒng)的抗干擾能力、保證信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)符合相關(guān)的EMI 要求。

2.3 輸入端電容和電感的選取

在開關(guān)電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)中，輸入端電容和電感的選取是非常重要的一環(huán)。它們?cè)跒V波和限制電磁干擾方面起著關(guān)鍵作用。

2.3.1 輸入端電容選取

輸入端電容用于濾除輸入電源的高頻噪聲，并提供穩(wěn)定的電源輸入，選擇輸入端電容的要點(diǎn)包括：第一，容值選擇。輸入端電容的容值決定其濾波效果。較大的電容值可以提供更好的濾波效果，但也會(huì)增加成本和占據(jù)更多的板空間。一般來說，容值的選擇應(yīng)該滿足濾波要求，并考慮實(shí)際成本和空間限制。第二，電容類型。對(duì)于EMI 抑制設(shè)計(jì)，推薦使用X7R 或X7S 等類別的多層陶瓷電容。它們具有低阻抗、高頻響應(yīng)良好等特點(diǎn)，非常適合用于高頻噪聲濾波。第三，電容質(zhì)量。選擇品質(zhì)有保障、可靠性高的電容器，以確保其長期穩(wěn)定性和性能[1]。

2.3.2 輸入端電感選取

輸入端電感用于抑制開關(guān)電源輸出回流電流的高頻噪聲，以減少電磁輻射和干擾，選擇輸入端電感的要點(diǎn)如下。第一，電感值選擇。應(yīng)適當(dāng)選擇輸入端電感的值，以保證在工作頻率范圍內(nèi)具有良好的阻抗特性，有效濾除高頻噪聲。一般來說，較大的電感值可以提供更好的抑制效果，但也會(huì)增加成本和占據(jù)更多的板空間。第二，電感類型。常用的輸入端電感類型包括線圈電感和片式電感。線圈電感具有高阻抗、高品質(zhì)因數(shù)等特點(diǎn)，適合于高頻噪聲濾波；片式電感體積小、工作頻率范圍廣，適合于緊湊和高性能設(shè)計(jì)。第三，電感材料。選擇高頻性能良好的磁性材料，如鐵氧體、鐵氟龍等，以確保電感器具有優(yōu)異的高頻特性[2]。

2.4 濾波器的類型和參數(shù)選擇

在開關(guān)電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)中，濾波器被廣泛應(yīng)用于輸入和輸出電路，用于抑制高頻噪聲并減少電磁干擾，它的類型和參數(shù)選擇非常重要。輸入濾波器主要分為LC 濾波器和RC 濾波器2 類。LC 濾波器由電感和電容組成，廣泛用于開關(guān)電源的輸入端濾波。它可以有效濾除高頻噪聲，并提供穩(wěn)定的電源輸入。在選擇LC 濾波器時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備需求和EMI 要求綜合考慮電感和電容的參數(shù)，如電感值、電容值以及品質(zhì)因數(shù)等。RC濾波器由電阻和電容組成，適用于一些低頻噪聲的去除，但對(duì)于高頻噪聲抑制效果較差。輸出濾波器主要分為LC 濾波器和Pi 型濾波器2 類。在開關(guān)電源的輸出端，LC 濾波器用于平滑輸出電壓并抑制高頻噪聲。同樣，根據(jù)需要選擇合適的電感和電容參數(shù)。Pi 型濾波器由電感和電容組成，相比于LC 濾波器，其具有更好的抑制高頻噪聲的能力[3]。濾波器的參數(shù)選擇主要包括以下3 點(diǎn)：第一，容值選擇。濾波器的電容容值和電感值應(yīng)根據(jù)開關(guān)頻率、工作電壓以及濾波要求來選擇。一般來說，較大的電容值和電感值可以提供更好的濾波效果，但也會(huì)增加成本和占據(jù)更多的板空間。第二，品質(zhì)因數(shù)選擇。品質(zhì)因數(shù)（Q值）反映濾波器的帶寬和損耗特性。較高的Q值通常表示更銳利的濾波特性，但也可能導(dǎo)致較大的損耗。根據(jù)實(shí)際需求，綜合考慮帶寬要求和損耗限制來選擇合適的Q值。第三，電感器材料選擇。選擇高頻性能良好的磁性材料，如鐵氧體或鐵氟龍等，以確保電感具有良好的高頻特性和抑制能力[4]。LC 濾波器的示意如圖3 所示，RC 濾波器的示意如圖4 所示。

圖3 LC 濾波器的示意

圖4 RC 濾波器的示意

2.5 EMI 測試的主要參數(shù)和指標(biāo)

EMI 測試是對(duì)開關(guān)電源PCB 板的電磁兼容性進(jìn)行評(píng)估的重要環(huán)節(jié)。通過EMI 測試，可以確定系統(tǒng)是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求、評(píng)估系統(tǒng)的抗干擾能力。輻射測試包括以下2 種。一是輻射電磁場，這是衡量開關(guān)電源PCB 板產(chǎn)生電磁場輻射的主要指標(biāo)，通常以峰值電壓或峰值電流表示，測試時(shí)需要測量輻射源附近的電場或磁場強(qiáng)度，以評(píng)估輻射干擾的程度[5]。二是輻射頻譜，測試時(shí)需要測量開關(guān)電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射頻譜，該頻譜通常覆蓋在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)。測試人員會(huì)測量并檢查特定頻段內(nèi)的輻射功率水平，并評(píng)估其與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求的符合性。傳導(dǎo)測試包括2 種。一是傳導(dǎo)干擾，這是測量開關(guān)電源PCB 板在電源線和信號(hào)線上傳導(dǎo)電磁干擾的主要指標(biāo)，測試時(shí)需要測量電源線和信號(hào)線上的噪聲電壓或噪聲電流，以判斷傳導(dǎo)干擾的強(qiáng)度。二是傳導(dǎo)頻譜，測試時(shí)還需要測量并分析開關(guān)電源系統(tǒng)在電源線和信號(hào)線上的電磁干擾頻譜。該頻譜通常覆蓋在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)，測試人員會(huì)檢查特定頻段內(nèi)的干擾功率水平，并評(píng)估其與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求的符合性[6]。

3 結(jié) 論

開關(guān)電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，需要不斷探索和創(chuàng)新，通過持續(xù)的努力與研究進(jìn)一步提升開關(guān)電源的抗干擾能力，為電子設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性做出更大貢獻(xiàn)。