如何解決電路板的EMI問題

變壓器與EMI的關(guān)系
系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師解決棘手的EMI問題時(shí)，很多時(shí)候都未能認(rèn)真地研究變壓器的設(shè)計(jì)。變壓器與EMI之間有如下的關(guān)系。
?由于變壓器的線圈帶有高頻電流，因此變壓器實(shí)際上已成為接收 H 場的天線。這些 H 場會沖擊附近的走線，并通過這些走線將 H 場傳導(dǎo)或輻射到密封的范圍以外。
?由于部分線圈有擺動電壓，因此實(shí)際上它們也成為接收電磁場的天線。
?初級及次級線圈之間的寄生電容可以將噪聲傳送到絕緣層之外。由于次級線圈的接地通常都與底板連在一起，因此這些噪聲又會通過這個(gè)接地面?zhèn)魉突貋?，成為共模噪聲。因此為了減少泄漏電感，最好將初級及次級線圈緊靠在一起，但這樣也會增加線圈的互感，從而增加共模噪聲。
下面介紹一些有助于防止上述干擾情況出現(xiàn)的技術(shù)。
?符合安全規(guī)格的變壓器都在初級及次級線圈之間貼上三層符合安全規(guī)格的聚酯 (Mylar) 膠帶。除了這三層聚酯膠帶之外，可能還會另外加插一片法拉第屏蔽銅片，以便將匯集在絕緣邊界的噪聲電流收集在一起，并將這些噪聲電流分流到別的地方 (通常會傳送到初級線圈的接地)。值得留意的一點(diǎn)是，應(yīng)該采用極薄的銅片作為屏蔽，以免因出現(xiàn)渦流而產(chǎn)生損耗，并確?？蓽p少泄漏電感。這片銅片一般厚 2~4 密耳(mil)，只環(huán)繞中央盤一周。另外還有一條導(dǎo)線焊接在銅片中心的附近，而另一端則連接初級線圈的接地端。這里要注意，銅片屏蔽的兩端不應(yīng)該有電導(dǎo)性能上的連接，因?yàn)閷τ谧儔浩鱽碚f，這樣會令這一繞圈短路。也可以在次級線圈上 (即加了三層絕緣之后) 再加設(shè)一個(gè)法拉第屏蔽，而這個(gè)屏蔽則與次級線圈接地連在一起。
?通常變壓器的外圍會有一層銅片屏蔽(即“磁通帶”)包圍著。這個(gè)屏蔽主要用以遮擋輻射。低成本的設(shè)計(jì)通常會任由這個(gè)屏蔽浮動，但如有需要，這個(gè)屏蔽也可與次級線圈接地連在一起。如果按照這個(gè)方式連在一起，便需要考慮一些安全方面的問題，例如加強(qiáng)初級及次級線圈之間絕緣效果的規(guī)定問題，以及如何規(guī)定初級至次級線圈之間的“蠕動”(沿著絕緣面的一段距離)及“間隙”(空間的最短距離)問題。如果變壓器的外盤設(shè)有空氣隙，源自空氣隙的周邊磁通會在磁通帶產(chǎn)生嚴(yán)重的渦流損耗。因此這個(gè)磁通帶的厚度通常也只有 2~4 密耳。需要注意，這個(gè)磁通帶的兩端可以而且應(yīng)該焊接在一起，因?yàn)檫@是外層屏蔽，無論怎樣也不會讓變壓器的繞線出現(xiàn)短路情況。但像拉法第屏蔽一樣，如果采用良好的繞線技術(shù)，這個(gè)外層屏蔽也可以不用。
?從電磁干擾的觀點(diǎn)來看，回掃變壓器最好采用中央設(shè)有間隙的設(shè)計(jì)，即變壓器的外盤并無間隙。無屏蔽的空氣隙會在周邊產(chǎn)生電磁場，換言之，會產(chǎn)生大量EMI信號。這些干擾除了會導(dǎo)致磁通帶產(chǎn)生大量渦流損耗之外，也會成為強(qiáng)力的輻射源。
?初級線圈通常會設(shè)有一個(gè)輔助線圈，為控制器及相關(guān)電路提供低干線電壓。輔助線圈的其中一端與初級線圈接地連在一起。只在輔助線圈的線軸上繞一層線，而且利用一個(gè) 22pF~100pF 的小型陶瓷電容器，再利用交流電將輔助線圈的另一端 (即二極管的一端) 與初級線圈接地耦合在一起，以確保輔助線圈可以收集及轉(zhuǎn)移更多噪聲(正如圖 1 所示)，如果依照以上所說進(jìn)行，輔助線圈便可提供多一個(gè)屏蔽 (雖然這是一個(gè)粗糙的法拉第屏蔽)。但實(shí)際上并不需要這個(gè)法拉弟線圈提供任何電流。因此這個(gè)電路根本無需采用這個(gè)線圈。可以采用細(xì)線以較疏的間距繞線圈，線的一端連接初級線圈接地，而另一端的 22 pF 小型電容器則直接接地。
?由于場效應(yīng)晶體管的漏極產(chǎn)生擺動電壓，因此最好將初級線圈的這一端盡量埋藏在最底的一層，即應(yīng)該屬于底層繞線的第一層。外層繞線便可將來自這層的電磁場屏蔽。這個(gè)線圈的漏極端絕對不應(yīng)放在靠近“安全屏障”(三層膠帶) 的位置。闖進(jìn)來的噪聲電流與寄生電容器兩塊銅片之間的凈 dV/dt 成正比。若大幅降低電容，便會對泄漏電阻造成不利的影響，因此應(yīng)該盡量減低這個(gè)電容器的凈 dV/dt 值。
?通過比較圖 1 左邊的結(jié)構(gòu)框圖與右邊的電路圖，便可發(fā)現(xiàn)任何線圈的首尾兩端都有特別的標(biāo)示。尤其是右邊的電路圖，開始的一端全部用黑點(diǎn)標(biāo)示出來。以典型的生產(chǎn)流程來說，繞線機(jī)每一次繞線都采用同樣的旋轉(zhuǎn)方向，所以所有開始端 (以黑點(diǎn)標(biāo)出的一端) 都有同樣的磁性性能(因此如果某一黑點(diǎn)處于高位，其它黑點(diǎn)也同時(shí)處于高位，這與另一端的表現(xiàn)不同)。若細(xì)心留意其中的真實(shí)距離，便會發(fā)現(xiàn)某一線圈的每一黑點(diǎn)端都很靠近下一線圈的無黑點(diǎn)端。
?換言之，以圖 1 的回掃變壓器來說，次級線圈的二極管端一定靠近安全屏障。因此雖然次級線圈會產(chǎn)生一部分 dV/dt ，但初級線圈只有極小的 dV/dt，令屏障兩邊只產(chǎn)生極小的凈 dV/dt。這個(gè) dV/dt 值會比初級線圈漏極靠近安全屏障的數(shù)值小得多。若變壓器線圈的繞線方式有錯(cuò)，即圖 1 所示的首尾兩端以反方向繞線，便會出現(xiàn)初級線圈漏極靠近安全屏障的情況。若采用這種設(shè)計(jì)，便會有大量的共模噪聲直接闖入底板/接地。
?圖 1 的變壓器有它的優(yōu)點(diǎn)，那就是次級線圈的無噪聲端 (接地) 屬于最外層。這一層形成一個(gè)很好的屏蔽，因此可以無需采用銅片屏蔽環(huán)繞該線圈。
?可以利用同樣的原理解釋正向轉(zhuǎn)換變壓器的操作，但由于受到前述線圈的擺設(shè)次序所限，令初級及次級線圈的無噪聲端自動分隔在安全屏障的兩邊。從傳導(dǎo)電磁干擾的角度來看，這個(gè)安排較好，因?yàn)闃O少噪聲會通過寄生電容闖入線圈。但最外層已不再屬于無噪聲區(qū)，而且可能會有輻射問題出現(xiàn)。在這樣的情況下，必須采用屏蔽將線圈包藏起來。
?正向轉(zhuǎn)換器外層輻射問題有一個(gè)解決的辦法。即要求制造商將次級線圈 (只限于次級線圈) 的繞線方向反過來。例如，繞線機(jī)一直按照順時(shí)針方向進(jìn)行繞線，但到次級線圈時(shí)，可以按反時(shí)針方向繞線。若按照這個(gè)方式繞線，以上所說有關(guān)回掃變壓器的運(yùn)作原理也適用于正向轉(zhuǎn)換變壓器，令轉(zhuǎn)換器的外層在沒有屏蔽時(shí)也不會受輻射干擾。
?正向轉(zhuǎn)換變壓器并無空氣隙，即使有，這個(gè)空間也很窄小，因此它是低噪聲變壓器。此外，也可按照鄰近效應(yīng)的分析，將線圈交錯(cuò)排列，以便大幅減少能產(chǎn)生泄漏磁通及EMI的磁力。
?將晶體管安裝在底板之上時(shí)，可以嘗試將散熱片的電容感生電流消除。辦法是采用另一線圈，其匝數(shù)與主線圈相同，但相位相反，而線圈的繞線可以更為細(xì)小。
棒式電感器經(jīng)常用于輸出端的濾波后 LC 級。由于這些電感器采用開放式結(jié)構(gòu)，因此一直稱為“電磁干擾大炮”。由于這類棒式電感器成本較低，而且占用較少電路板空間，因此至今仍然有人使用。但它們應(yīng)垂直放置，若兩條棒式電感器同樣用于某一輸出，則應(yīng)該采用相同的繞線方式將繞線繞在兩條棒上，然后將印刷電路板的設(shè)計(jì)稍加修改配合，使兩條棒的電流以截然相反的方向流動。這樣有助于將某一電感器的磁通直接耦合到另一電感器，確保不會有太多磁通溢出。

布局設(shè)計(jì)
應(yīng)小心審視每一布局，以確定印刷電路板哪一部分走線最具關(guān)鍵作用。啟動或關(guān)閉時(shí)，電流若突然間開始或停止流動，往往會令走線產(chǎn)生電感尖峰。每一次過渡時(shí)，這一部分走線會產(chǎn)生極高的 dI/dt 尖峰電流。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，即每一英寸走線有 20nH電感，電壓尖峰可以利用方程式 V=L(dI/dt) 計(jì)算出來。這些高頻電流環(huán)路的面積必須盡量縮小，因?yàn)檫@些電流不但會產(chǎn)生EMI，而且還會闖入內(nèi)置式開關(guān)穩(wěn)壓器的控制電路，令操作出現(xiàn)錯(cuò)誤。
構(gòu)思設(shè)計(jì)時(shí)必須小心，以防無意中令走線產(chǎn)生擺幅過高的電壓，因?yàn)楦邤[幅電壓的走線會成為極易接收電場信號的天線。無論采用什么布局，連接開關(guān)節(jié)點(diǎn)的走線很容易產(chǎn)生這種天線效應(yīng)。因此需要加大其銅線面積，以降低電感。
接地也是降低EMI整體水平的好辦法，而且是非常有效的方法。以多層式電路板為例，電路板的外層都設(shè)有電源器件及相關(guān)的走線，如果連接的下一層是接地，EMI會下降 10~20 dB。若與采用成本較低的單/雙面電路板相比，這個(gè)方法更具成本效益，而且無需采用笨重的濾波器。但這樣的接地面必須確保傳送的信號完整無損，因?yàn)樵诘皖l環(huán)境下，回流電流有這樣的傾向，就是喜歡選擇最短的直線路徑，但較高頻的諧波大多數(shù)會直接在另一面的正向走線下按照自己的影像復(fù)制。只要有機(jī)會，電流就會自動縮小其包圍面積，因?yàn)檫@樣可降低走線的電感，以及為電流指示一條最低阻抗的路徑。若因考慮不周而在不適合走線的地方將其它走線貫穿接至地面，會導(dǎo)致真正需要該部分接地面的功率轉(zhuǎn)換器級受其影響，令其回流電流繞過貫穿的走線，這樣會產(chǎn)生頻槽天線效應(yīng)。

問題的解決辦法
最好的辦法還是先將共模及差分模式的信號分開，然后分別加以研究，以便調(diào)試不理想的頻譜。LISN 的讀數(shù)只提供總傳導(dǎo)噪聲中的某一加權(quán)部分，因此除非有特別的輔助配件 (包括經(jīng)修改的 LISN)，只能通過猜測來確定哪一部分EMI屬于差分模式，哪一部分屬于共模。若只靠 LISN 讀數(shù)，未必知道干擾的真正原因。圖2 顯示兩條電流探測路線，它們互相纏繞在一起，其效果好像利用“聯(lián)立方程式”將共模與差分模式的部分分開計(jì)算。實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，同時(shí)進(jìn)行這兩項(xiàng)測量比分開進(jìn)行好，因?yàn)檫@樣可以知道共模信號與差分信號之間的相對相位關(guān)系。這是非常寶貴的信息。■