DC/DC 转换器 EMI 的工程师指南 - 第 1 部分，规范和测量

  简介

  多数电源应用必须减少电磁干扰(EMI)以满足相关要求，系统设计人员必须尝试各种方法来减少传导和辐射发射。

  电磁兼容性(EMC)标准的合规性（例如，针对多媒体设备的CISPR 32，针对汽车应用的CISPR 25）是一项非常重要的任务，与产品开发成本和上市时间息息相关。

  对于DC/DC转换器而言，虽然采用开关更快的电源器件可以提升开关频率并缩小尺寸，但在开关转换期间出现的开关电压和电流转换率（dv/dt和di/dt）有所提升，通常引起EMI加剧，导致整个系统出现问题。

  例如，氮化镓(GaN)电源器件的开关速度极快，导致高频条件下的EMI增加10dB。EMI滤波器是电力电子系统不可或缺的组成部分，在总体积和总重量方面占比相对较大。因此，必须非常关注系统的EMI降噪和抑制，不仅要满足EMC规范，还需降低解决方案成本并提高系统功率密度。

  本文是EMI系列文章的第一部分，回顾了相关标准和测量技术，主要侧重于传导发射。表1列出了与EMI有关的常用缩写和命名法。


  EMC监管规范

  EMC指系统或内含元器件在其电磁环境中按要求运行，不会对环境中的任何设备产生超出容限的电磁干扰的能力。此类干扰可能造成严重后果，因此各种国内和国际监管规范中均设立了EMC条款。

  在欧盟区域内，通信市场销售的电源产品多年来通常采用EN 55022/CISPR 22产品标准，从而在传导和辐射发射两方面满足合规性要求，欧盟之外参照此标准的电源产品使用CE符合性声明(DoC)，满足欧盟EMC指令2014/30/EU的合规性。

  针对北美市场设计的产品符合FCC第15部分的限值。IEC 61000-6-3和IEC 61000-6-4通用EMC标准分别适用于轻工业和工业环境。

  然而，在辐射方面，EN 55032产品标准已取代EN 55022(ITE)、EN 55013（广播接收器和相关设备）和EN 55103-1（音视频设备）。这一新标准正式成为符合EMC指令的统一辐射标准。更具体地说，之前根据EN 55022进行测试并在2017年3月2日后运往欧盟的所有产品，必须符合EN 55032的要求。

  随着EN 55022标准撤销并由EN 55032取代，电源制造商和供应商需要按照新标准更新其DoC证书，从而合法地使用CE认证徽标。图1显示了在150kHz至30MHz的适用频率范围内，使用准峰值(QP)和平均值(AVG)信号检测器进行的传导发射的EN 55022/32 A类和B类限值。

  对于汽车终端设备，未来EMC合规性的主要推动力无疑来自于通过车辆间通信支持的自主车辆。针对“板载接收器保护”的CISPR 25规范已针对传导发射设置了严格的限制，在FM频带（76MHz至108MHz）的限制尤为严格。

  从监管角度而言，UNECE 10号法规在2014年11月取代了欧盟的汽车EMC指令2004/104/EC，其中要求制造商必须取得所有车辆、电子元器件(ESA)、元器件和独立技术单元的型式认证。

  CISPR 25测试的传导发射均在150kHz至108MHz频率范围的特定频带内进行测量。具体而言，调节频率范围分布在AM广播、FM广播和移动服务频带之间，如图2中的图象和表格所示。图2还绘制了CISPR 25 5类（最严苛的要求）的相关限值图象。尽管频带之间的带隙允许更高的噪声尖峰，但汽车制造商可能会根据其特定的内部EMC要求选择扩展这些频率范围。这些要求通常基于国际IEC标准，仅更改不同测试或限值的少量参数，其核心内容保持不变。

  为了应对CISPR 25限值带来的挑战，尤其是FM频带方面，请注意，50Ω测量电阻产生的18dBμV对应的噪声电流仅为159nA。

  测量传导EMI

  LISN测量EUT产生的传导发射。它是插入EMI源和电源之间测量点的接口，确保EMI测量结果的可重复性和可比较性。图3所示为根据CISPR 16-1-2[12]或ANSI C63.4标准定义的标准50μH LISN的功能等效电路（并非完整原理图）。

  LISN提供：

  ·在给定频率范围内，产生经过校准的稳定信号源阻抗。

  ·在该频率范围内，将EUT和测量设备与输入电源隔离。

  ·与测量设备建立安全适用的连接。

  ·单独测量两条线路的总噪声级别，图3中以L和N表示。

  简而言之，使用信号源阻抗已知的预定义测试方案能够获得可重复性结果。注：LISN可能包含一个或多个独立LISN电路。

  LISN的实质是pi滤波器网络。通过低通电感-电容(LC)滤波器，EUT与输入电源线L和N相连，如图3所示。LISN电感值基于在产品理想安装状态下，电源线的预期电感。

  CISPR 16和ANSI C63.4为LISN指定了一个50μH电感，该值与电信设备中约50米的配电布线系统的电感相符。相反，CISPR 25指定5μH LISN，与汽车线束的近似电感相对应。

  LISN为噪声发射信号提供明确定义的阻抗。LISN制造商通常提供校准曲线，指示特定测量频率范围内的标称阻抗。根据CISPR 16-1-2，允许的容差是±20%的幅值和±11.5°的相位。

  对于使用EMI接收器或频谱分析仪进行的测量，噪声信号可通过高通滤波器网络（如图3所示）获得，该网络的耦合电容为0.1μF，放电电阻为1kΩ，测量端口的端接电阻为50Ω。图4显示了在150kHz至30MHz的频率范围，(50μH+5Ω)||50ΩLISN的模拟阻抗图。

  针对汽车应用的CISPR 25测试装置

  图5显示了CISPR 25推荐的传导发射测试装置。该标准定义了待测系统的处理方式以及测量方案和设备。根据CISPR 25规范，LISN在此处指定为AN。当汽车功率回流线超过200mm时，EUT远程接地，需要两个AN：二者分别用于正电源线和功率回流线。相反，如果汽车功率回流线不超过200mm，则EUT本地接地，只需将一个AN应用于正电源。

  AN直接安装在基准接地平面之上，AN外壳与接地平面相连。电源回流线还与电源和AN之间的接地平面相连。将EMI接收器连接到相应AN的测量端口可确保成功测量每条电源线上的传导发射。与此同时，插入另一条电源线的AN的测量端口端接50Ω负载。

图5：CISPR 25传导EMI测试方案（电压法）概述。

  图6显示了用于预合规测试的CISPR 25传导发射试验室。LISN是右侧的蓝色箱体，锂离子汽车电池位于其后，DUT位于左侧的绝缘材料上。为了在特定电源电压下（例如13.5V）进行测试，使用可变电压源从试验室外部通过隔板馈电。结果通过各自的LISN在线路端（热回路）和返回端（接地）获取。

图6：使用两个单极LISN和铜箔接地平面的CISPR 25传导EMI测试装置。

  图7显示了典型的CISPR 25传导EMI扫描结果，黄色和蓝色分别表示峰值和平均测量值。我们可以看到DC/DC转换器安静地运行，传导发射远低于严格的5类限值。这种测量技术在30MHz以上发生改变，因为EMI接收器的RBW从9kHz调整为120kHz，可能导致测量噪底发生变化。

  总结

  有意或者无意产生的电磁能量均对其他设备造成电磁干扰。商业产品需要在正常运行过程中将产生的电磁能量降至最低水平。

  世界各地的许多管理机构均对允许最终产品产生的传导和辐射EMI的等级进行了规定。采用适用的测量技术可以定量分析此类发射，以便采取适当的措施符合法规的合规性。

  EMC要求通常事关在AC电源线（和信号线）所测量系统的整体情况，而DC/DC转换器作为子元器件，并没有具体的EMC限值。然而，用户可以执行预合规性测试，确定EMI是否造成不良影响。