DC/DC 转换器 EMI 工程师指南 -规范和测量

电磁兼容性 (EMC) 标准的合规性（例如，针对多媒体设备的 CISPR 32，针对汽车运用的 CISPR 25）是一项非常主要的任务，与产品开拓本钱和上市韶光息息相关。

对付 DC/DC 转换器而言，虽然采取开关更快的电源器件可以提升开关频率并缩小尺寸，但在开关转换期间涌现的开关电压和电流转换率（dv/dt 和 di/dt）有所提升，常日引起 EMI 加剧，导致全体系统涌现问题。

例如，氮化镓 (GaN) 电源器件的开关速率极快，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，不仅要知足EMC 规范，还需降落办理方案本钱并提高系统功率密度。

本文是 EMI 系列文章的第一部分，回顾了干系标准和丈量技能，紧张侧重于传导发射。
表 1 列出了与 EMI 有关的常用缩写和命名法。

IEC

国际电工委员会

CISPR 25

国际无线电滋扰特殊委员会，一个 IEC 技能委员会

EN 55022

欧洲标准，由 CENELEC 制订并经欧盟 (EU) 批准，是 CISPR 22 衍生标准的修正版

FCC 第 15 部分

联邦通信委员会；第 15 部分 B 小节适用于无意辐射体

ANSI C63.4

美国国家标准学会

CENELEC

欧洲电子技能标准委员会

CE 标识

欧洲合格认证

ITE

信息技能设备

EUT

待测设备

OATS

开阔试验场

ALSE

内衬接管器的屏蔽外壳

SAC，FAR

半消音室，全消音室

LISN

线路阻抗稳定网络

AMN，AN

人工电源网络，人工网络

AE

赞助/关联设备

CE，RE

传导发射，辐射发射

CS，RS

传导敏感性，辐射敏感性

DM，CM

差模，共模

RBW

（EMI 吸收器/频谱剖析仪的）分辨率带宽

FFT

快速傅立叶变换

PE，GW

保护性接地，绿色导线（均指接地或外壳接地）

dBV，dBA

0dBV = 1V，20dBA = 10A

表 1：与 EMI 和 EMC 干系的常见缩略语、缩写和单位。

EMC 监管规范

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

在欧盟区域内，通信市场发卖的电源产品多年来常日采取 EN 55022/CISPR 22 产品标准，从而在传导和辐射发射两方面知足合规性哀求，欧盟之外参照此标准的电源产品利用 CE 符合性声明 (DoC)，知足欧盟 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（广播吸收器和干系设备）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。
更详细地说，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 的哀求。

随着 EN 55022 标准撤销并由 EN 55032 取代，电源制造商和供应商须要按照新标准更新其 DoC 证书，从而合法地利用 CE 认证徽标。
图 1 显示了在 150kHz 至 30MHz 的适用频率范围内，利用准峰值 (QP) 和均匀值 (AVG) 旗子暗记检测器进行的传导发射的 EN 55022/32 A 类和 B 类限值。

图 1：利用准峰值和均匀值检测器的 EN 55022 A 类和 B 类传导发射限值。

对付汽车终端设备，未来 EMC 合规性的紧张推动力无疑来自于通过车辆间通信支持的自主车辆。
针对“板载吸收器保护”的 CISPR 25 规范已针对传导发射设置了严格的限定，在 FM 频带（76MHz 至 108MHz）的限定尤为严格。

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，个中哀求制造商必须取得所有车辆、电子元器件 (ESA)、元器件和独立技能单元的型式认证。

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丈量。
详细而言，调节频率范围分布在 AM 广播、FM 广播和移动做事频带之间，如图 2 中的图象和表格所示。
图 2 还绘制了 CISPR 25 5 类（最严苛的哀求）的干系限值图象。
只管频带之间的带隙许可更高的噪声尖峰，但汽车制造商可能会根据其特定的内部 EMC 哀求选择扩展这些频率范围。
这些哀求常日基于国际 IEC 标准，仅变动不同测试或限值的少量参数，其核心内容保持不变。

图 2：CISPR 25 5 类传导发射限值。

为了应对 CISPR 25 限值带来的寻衅，尤其是 FM 频带方面，请把稳，50 丈量电阻产生的 18dBV 对应的噪声电流仅为 159nA。

丈量传导 EMI

LISN 丈量 EUT 产生的传导发射。
它是插入 EMI 源和电源之间丈量点的接口，确保 EMI 丈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 50H LISN 的功能等效电路（并非完全事理图）。

LISN 供应：

在给定频率范围内，产生经由校准的稳定旗子暗记源阻抗。

在该频率范围内，将 EUT 和丈量设备与输入电源隔离。

与丈量设备建立安全适用的连接。

单独丈量两条线路的总噪声级别，图 3 中以 L 和 N 表示。

图 3：利用 V 型 LISN 进行的传导发射丈量。

简而言之，利用旗子暗记源阻抗已知的预定义测试方案能够得到可重复性结果。
注：LISN 可能包含一个或多个独立 LISN 电路。

LISN 的本色是 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 电感值基于在产品空想安装状态下，电源线的预期电感。

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

LISN 为噪声发射旗子暗记供应明确定义的阻抗。
LISN 制造商常日供应校准曲线，指示特定丈量频率范围内的标称阻抗。
根据 CISPR 16-1-2，许可的容差是 20% 的幅值和 11.5 的相位。

对付利用 EMI 吸收器或频谱剖析仪进行的丈量，噪声旗子暗记可通过高通滤波器网络（如图 3 所示）得到，该网络的耦合电容为 0.1F，放电电阻为 1k，丈量端口的端接电阻为 50 。
图 4 显示了在 150kHz 至 30MHz 的频率范围，(50H + 5) || 50 LISN 的仿照阻抗图。

图 4：在 150kHz 至 30MHz 的调节频率范围内，丈量端口处的 50，50H LISN 标称阻抗特性。

针对汽车运用的 CISPR 25 测试装置

图 5 显示了 CISPR 25 推举的传导发射测试装置。
该标准定义了待测系统的处理办法以及丈量方案和设备。
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，须要两个 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 运用于正电源。

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 吸收器连接到相应 AN 的丈量端口可确保成功丈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 的丈量端口端接 50 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，利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：利用两个单极 LISN 和铜箔接地平面的 CISPR 25 传导 EMI 测试装置。

图 7 显示了范例的 CISPR 25 传导 EMI 扫描结果，黄色和蓝色分别表示峰值和均匀丈量值。
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。
这种丈量技能在 30MHz 以上发生改变，由于 EMI 吸收器的 RBW 从 9kHz 调度为 120kHz，可能导致丈量噪底发生变革。

图 7：范例的 CISPR 25 传导 EMI 丈量。

总结

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

天下各地的许多管理机构均对许可终极产品产生的传导和辐射 EMI 的等级进行了规定。
采取适用的丈量技能可以定量剖析此类发射，以便采纳适当的方法符合法规的合规性。

EMC 哀求常日事关在 AC 电源线（和旗子暗记线）所丈量系统的整体情形，而 DC/DC 转换器作为子元器件，并没有详细的 EMC 限值。
然而，用户可以实行预合规性测试，确定 EMI 是否造成不良影响。