KA_IX

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EMI整改方法分析:滤波器或屏蔽罩

2021-9-7 12:14:58 显示全部楼层
一、引言

大家都知道,在各个领域中产品在研发设计中会遇到令人十分困扰的的EMC问题,尤其是在汽车电子领域。为了能将电磁干扰减到最小,研发硬件人员一般在设计原理图和绘制布局时,会通过调整开关转换速率以及降低高di / dt的环路面积来减小噪声源。
当然,在布局和原理图设计都非常谨慎的情况下却依然没有办法将传导EMI降低到最低水平。这是为什么呢?因为噪声受电流强度的影响而且最主要还受电路寄生参数的影响。因此我们在开关打开和关闭的动作时会产生不连续的电流,而这些不连续电流会在输入电容上产生电压纹波,从而增加EMI。
所以为了能够提高传导发射我们需要采用一些其它方法。今天我们主要展示的是通过使用滤波器或是屏蔽罩来呈现的一些解决效果。

二、问题描述

车厂的车灯产品,下图是传导测试数据图,包括正向噪声和负向噪声,包含峰值和平均值测试曲线。 其中,该被测系统主要采用芯片LMR14050SSQDDARQ1输出5V/5A,并给后续芯片TPS65263QRHBRQ1供电,同时输出1.5V/3A,3.3V/2A以及1.8V/2A。 这两个芯片都工作在2.2MHz的开关频率下。 另外,图中显示的传导EMI标准是CISPR25 Class 5。
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图1 CISPR25标准下的噪声特性(无滤波器)


二、整改方案

在电路电源输入端增加EMI滤波电路,包括共模(CM)滤波器和差模(DM)滤波器。 通常,DM滤波器主要用于滤除小于30MHz的噪声(DM噪声),CM滤波器主要用于滤除30MHz至100MHz的噪声(CM噪声)。 但其实这两个滤波器对于整个频段的EMI噪声都有一定的抑制作用。
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图2 EMI滤波电路示意简图


三、具体整改方法分析

1、增加一个DM滤波电路;
分析:从图中可以看出,DM滤波器衰减了中频段DM噪声(2MHz至30MHz)近35dBμV/ m。此外高频段噪声(30MHz至100MHz)也有所降低,但仍超过限制水平。这主要是因为DM滤波器对于高频段CM噪声的滤除能力有限
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图3 CISPR25标准下的噪声特性(带DM滤波器)

2、增加CM和DM滤波器电路。
分析:与图3相比,CM滤波器的增加降低了近20dBμV/ m的CM噪声。 并且EMI性能也通过了CISPR25 C5标准。
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图4 CISPR25标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器)

3、优化PCB布局布线
(1)分析:优化前PCB大面积覆铜(GND)包围着DM滤波器,并和Vin走线形成了一些寄生电容。 这些寄生电容为高频信号旁路滤波器提供了有效的低阻抗路径。 因此,为了最大限度地提高滤波器的性能,需要移除滤波器周围所有的覆铜,如下图左侧的布线。
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图5 不同的PCB布线

(2)优化PCB后整体下降10db左右,可以通过测试,下图是具体测试图。
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图6 CISPR25标准下的噪声特性(带CM和DM滤波器,不同布局)

2、 增加屏蔽罩。
(1)分析:这是因为连接着GND的金属屏蔽罩可以阻止噪声向外辐射。 图7推荐了一种屏蔽罩的摆放方法。该屏蔽罩恰好覆盖了板上所有的元器件。
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图7 带屏蔽罩的PCB 3D模型

(2) 显示了增加滤波器和屏蔽罩之后的EMI结果。
如图所示,整个频段的噪声几乎都被屏蔽罩消除,EMI性能非常好。 这主要是因为等效为天线的长输入引线会耦合大量辐射噪声,而屏蔽罩恰好隔绝了它们。在本设计中,中频噪声也会采用这种方式耦合到输入引线上。
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图8 CISPR25标准下的噪声特性(带CM,DM滤波器以及屏蔽罩)


四、总结:

增加EMI滤波电路或者屏蔽罩都能有效的改善EMI的良好效果,只是我们在滤波器的应用场景和屏蔽罩的摆放位置还需要认真考量,良好的PCB设计能让EMI整改事半功倍。

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电子阔少

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电子阔少 2021-9-7 14:35:36 显示全部楼层
增加GND的金属屏蔽罩,确实是可以阻止噪声向外辐射的
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