开关电源PCB板的EMI抑制和抗干扰设计.pdf

Telecom Power Technology 4 Sep.10,2023,Vol.40 No.17 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.17.002开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计伍 颖，唐毓豪（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西 桂林 541000）摘要：开关电源常见于各种通信、控制等电子设备，广泛应用于军事、工业、医疗等领域，具有高效、轻巧以及可靠的特点。随着电子技术的快速发展，开关电源也在不断发展，行业对于电源性能的要求也越来越高，开关电源趋于高频化，但同时会产生一系列的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）问题。这些干扰可能对设备的正常运行、周围电子设备的性能稳定性以及电磁兼容性产生不利影响。基于此，简单讨论开关电源印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）的 EMI 抑制和抗干扰设计意义，深入探讨设计要点，以供参考。关键词：开关电源；电磁干扰（EMI）；印制电路板（PCB）；辐射；抗干扰设计EMI Inhibition and Anti-Interference Design Study of Switching Power Supply PCB BoardWU Ying,TANG Yuhao(The 34th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Guilin 541000,China)Abstract:Switch power supply is common in a variety of communication,control and other electronic equipment,widely used in military,industrial,medical and other fields.Switch power supply has the characteristics of high efficiency,light and reliable,with the rapid development of electronic technology,switching power supply is also constantly developing,the industry for the power performance requirements are becoming higher and higher,switching power supply more and more high frequency,but also will produce a series of Electromagnetic Interference(EMI)problems.These disturbances may adversely affect the normal operation of the equipment,the performance stability of the surrounding electronic equipment,and the electromagnetic compatibility.Based on this,this paper briefly discusses the design significance of EMI suppression and anti-interference of Printed Circuit Board(PCB)board of switching power supply,and discusses the design points for reference.Keywords:switch power supply;Electromagnetic Interference(EMI);Printed Circuit Board(PCB);radiation;anti-interference design0 引 言为提高开关电源的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）抑制和抗干扰能力，保证设备的正常运行，工程师们需要深入研究和设计合理的电路布局与滤波设计措施，特别是在印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）的设计中，电源电路的 EMI 抑制和抗干扰设计显得尤为重要。PCB 板设计的 EMI问题关系到整个系统的可靠性和稳定性。1 开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计意义开关电源是现代电子设备中常用的电源类型，它具有高效率、小体积以及稳定输出等优点。然而，开关电源在工作时会产生高频脉冲，这会引起 EMI 和其他干扰问题。为确保电子设备的正常运行和满足国际EMI 标准，开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计非常重要。EMI 抑制设计的意义主要包括以下几点。第一，符合法规要求。各个国家都制定电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）标准，要求电子设备在工作时不会产生过多的 EMI 干扰。通过 EMI 抑制设计，开关电源能够有效降低 EMI 辐射和传导，确保设备符合法规要求并取得相应的认证。第二，防止对其他设备的干扰。开关电源产生的高频脉冲干扰不仅可能影响到设备自身的正常运行，还可能对其他附近的电子设备造成干扰。EMI 抑制设计可以降低开关电源对周围设备的电磁干扰，保证整个系统的稳定运行。第三，提高系统可靠性和稳定性。电磁干扰会对电子设备的正常工作产生不利影响，可能导致设备性能下降、信号失真、系统崩溃等问题。通过 EMI 抑制设计，可以有效降低设备受到的干扰，提高系统的可靠性和稳定性。第四，减少电源噪声。开关电源的高频脉冲会产生较大的电源噪声，这对一些对电源质量要求较高的敏感电子设备来说是不可接受的。EMI 抑制设计可以有效减少电源噪声，提供干净、稳定的电源给其他设备使用。开关电源的基本结构如图 1 所示。收稿日期：2023-08-02作者简介：伍 颖（1991），男，广西桂林人，本科，工程师，主要从事硬件电路设计工作。2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 5 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 伍 颖，等：开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计2 开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计要点2.1 PCB 板布局布线设计开关电源作为一种常见的电源供应单位，其在电子设备中广泛应用。然而，由于其高频开关操作和电源线传输等特性，可能会引发辐射和传导的 EMI，对设备的正常工作产生影响。因此，为保证开关电源的稳定性和可靠性，针对 EMI 抑制和抗干扰设计，在PCB 板前期设计规划和后期布局布线时需要特别关注以下要点：第一，输入与输出区域隔离。为防止输入和输出之间的互相干扰，应该采取有效的隔离措施，将输入和输出区域分隔开来。通常情况下，可以通过PCB 板地平面的分割或金属屏蔽罩来实现区域分隔。第二，地线设计。良好的地线设计对于 EMI 抑制至关重要。地线应该尽可能低阻抗、低电感，并且在整个电路板上均匀分布。同时，要避免地线环路的形成，以减少回流电流引起的电磁辐射。第三，滤波器的使用。在输入和输出电路中加入滤波器可以有效减轻电磁干扰，常用的滤波器包括电容滤波器和电感滤波器，在设计中可以根据实际情况选择合适的滤波器类型与参数。第四，电源线和信号线的布局。在PCB设计中，应该避免电源线和信号线的平行走向，尽量交错布局，或者采用相对角度较大的方式布置，以减少互相之间的干扰。第五，PCB 板叠层结构设计。不同信号层和电源层的布局与堆叠方式也会对 EMI 抑制产生影响。通过适当的叠层结构设计，可以降低信号层之间的耦合与互相干扰。第六，地平面和电源平面。在设计过程中，应该充分考虑地平面和电源平面的规划。地平面和电源平面的充分覆盖可以有效减少电磁辐射，提高系统的电磁兼容性。第七，引线和连接器的选择。对于高频开关电源，合适的引线和连接器选择也非常重要。应该选择低阻抗、低电感的引线和连接器，以减少电磁干扰。总之，EMI 抑制和抗干扰设计是开关电源设计中的一个重要环节。通过正确的输入和输出区域隔离设计，合理选择滤波器、地线、引线以及连接器，并注意PCB板叠层结构及电源、地平面设计，提高开关电源的抗干扰能力，确保电子设备的正常工作。开关电源的 PCB Layout 版图如图 2 所示。2.2 电源线的滤波和终端抑制电源线的滤波和终端抑制是开关电源 PCB 板输入整流滤波输出整流滤波功率开关管控制电路PWM 输出信号反馈高频变压器交流输入直流输出直流输入图 1 开关电源的基本结构图 2 开关电源的 PCB Layout 版图 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 6 EMI 抑制和抗干扰设计中的重要环节。通过有效的电源线滤波和终端抑制措施，可以降低开关电源产生的高频噪声和电磁干扰，确保系统的稳定性和可靠性。电源线滤波是通过合理的电路设计和滤波元件选择，在开关电源的输入和输出端对高频噪声进行滤除的过程。其主要目的是减少由于电源线上的高频噪声传播而引起的 EMI 辐射和干扰其他设备的可能性。在电源线的滤波设计中，需要考虑以下要点。首先，滤波器类型。根据实际需求和设计指标，选择适当的滤波器类型。常见的滤波器包括 LC 滤波器、RC 滤波器以及 Pi 型滤波器等。其次，滤波器参数。根据电源线的特性和工作频率范围，确定合适的滤波器参数。其中主要包括电容值、电感值以及阻值等。合理的参数选择能够有效地滤除高频噪声。最后，滤波电路布局。在PCB板设计中，合理布局滤波电路。对于输入端滤波，通常将电容和电感布置在输入端附近，以最大限度地减小电源线上的高频噪声。对于输出端滤波，也需要布置合适的滤波电路来滤除输出电压的高频波动。电源线的终端抑制是针对电源线末端信号的干扰进行抑制的措施，其目的在于减少信号在电源线上的传播和反射，以避免干扰其他设备和系统。电源线终端抑制的设计时，需要考虑以下要点。一是布局布线设计。尽可能采用较短的电源线，减少线路长度和电源回路面积，并避免电源线与信号线、高速数据线等相互交叉的情况，以减少互相干扰的可能性。三是端接电阻设计。在电源线的末端添加合适的端接电阻，能够降低电源线的反射和回波，并提高整个系统的抗干扰能力。三是终端降噪电路设计。通过添加降噪电路，如降噪电感和降噪电容等元件，对终端信号进行滤波和抑制。降噪电感和降噪电容能够有效吸收高频噪声和电磁干扰。四是地线设计。合理设计和布置地线，保证地线回流电流的路径短、分布均匀，并与电源线分开布置，减少相互干扰。通过电源线的滤波和终端抑制设计，可以有效降低开关电源PCB 板产生的高频噪声和电磁干扰。这些措施有助于提高系统的抗干扰能力、保证信号的稳定性和可靠性，同时符合相关的 EMI 要求。2.3 输入端电容和电感的选取在开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计中，输入端电容和电感的选取是非常重要的一环。它们在滤波和限制电磁干扰方面起着关键作用。2.3.1 输入端电容选取输入端电容用于滤除输入电源的高频噪声，并提供稳定的电源输入，选择输入端电容的要点包括：第一，容值选择。输入端电容的容值决定其滤波效果。较大的电容值可以提供更好的滤波效果，但也会增加成本和占据更多的板空间。一般来说，容值的选择应该满足滤波要求，并考虑实际成本和空间限制。第二，电容类型。对于 EMI 抑制设计，推荐使用 X7R 或X7S 等类别的多层陶瓷电容。它们具有低阻抗、高频响应良好等特点，非常适合用于高频噪声滤波。第三，电容质量。选择品质有保障、可靠性高的电容器，以确保其长期稳定性和性能1。2.3.2 输入端电感选取输入端电感用于抑制开关电源输出回流电流的高频噪声，以减少电磁辐射和干扰，选择输入端电感的要点如下。第一，电感值选择。应适当选择输入端电感的值，以保证在工作频率范围内具有良好的阻抗特性，有效滤除高频噪声。一般来说，较大的电感值可以提供更好的抑制效果，但也会增加成本和占据更多的板空间。第二，电感类型。常用的输入端电感类型包括线圈电感和片式电感。线圈电感具有高阻抗、高品质因数等特点，适合于高频噪声滤波；片式电感体积小、工作频率范围广，适合于紧凑和高性能设计。第三，电感材料。选择高频性能良好的磁性材料，如铁氧体、铁氟龙等，以确保电感器具有优异的高频 特性2。2.4 滤波器的类型和参数选择在开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计中，滤波器被广泛应用于输入和输出电路，用于抑制高频噪声并减少电磁干扰，它的类型和参数选择非常重要。输入滤波器主要分为LC滤波器和RC滤波器2类。LC 滤波器由电感和电容组成，广泛用于开关电源的输入端滤波。它可以有效滤除高频噪声，并提供稳定的电源输入。在选择 LC 滤波器时，应根据设备需求和 EMI 要求综合考虑电感和电容的参数，如电感值、电容值以及品质因数等。RC滤波器由电阻和电容组成，适用于一些低频噪声的去除，但对于高频噪声抑制效果较差。输出滤波器主要分为 LC 滤波器和 Pi 型滤波器 2 类。在开关电源的输出端，LC 滤波器用于平滑输出电压并抑制高频噪声。同样，根据需要选择合适的电感和电容参数。Pi 型滤波器由电感和电容组成，相比于 LC 滤波器，其具有更好的抑制高频噪声的能 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 7 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 伍 颖，等：开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计力3。滤波器的参数选择主要包括以下 3 点：第一，容值选择。滤波器的电容容值和电感值应根据开关频率、工作电压以及滤波要求来选择。一般来说，较大的电容值和电感值可以提供更好的滤波效果，但也会增加成本和占据更多的板空间。第二，品质因数选择。品质因数（Q 值）反映滤波器的带宽和损耗特性。较高的 Q 值通常表示更锐利的滤波特性，但也可能导致较大的损耗。根据实际需求，综合考虑带宽要求和损耗限制来选择合适的 Q 值。第三，电感器材料选择。选择高频性能良好的磁性材料，如铁氧体或铁氟龙等，以确保电感具有良好的高频特性和抑制能力4。LC 滤波器的示意如图 3 所示，RC 滤波器的示意如图4 所示。GNDGNDCCLLL（a）L 型（b）T 型（c）倒 L 型（d）n 型GNDGNDGNDCCCLL图 3 LC 滤波器的示意GNDGNDCCRRR（a）L 型（b）T 型GNDCRRCC（c）倒 L 型（d）n 型GNDGND图 4 RC 滤波器的示意2.5 EMI 测试的主要参数和指标EMI 测试是对开关电源 PCB 板的电磁兼容性进行评估的重要环节。通过 EMI 测试，可以确定系统是否符合相关标准和规范要求、评估系统的抗干扰能力。辐射测试包括以下 2 种。一是辐射电磁场，这是衡量开关电源 PCB 板产生电磁场辐射的主要指标，通常以峰值电压或峰值电流表示，测试时需要测量辐射源附近的电场或磁场强度，以评估辐射干扰的程度5。二是辐射频谱，测试时需要测量开关电源系统产生的电磁辐射频谱，该频谱通常覆盖在规定的频率范围内。测试人员会测量并检查特定频段内的辐射功率水平，并评估其与相关标准及规范要求的符合性。传导测试包括 2 种。一是传导干扰，这是测量开关电源 PCB 板在电源线和信号线上传导电磁干扰的主要指标，测试时需要测量电源线和信号线上的噪声电压或噪声电流，以判断传导干扰的强度。二是传导频谱，测试时还需要测量并分析开关电源系统在电源线和信号线上的电磁干扰频谱。该频谱通常覆盖在规定的频率范围内，测试人员会检查特定频段内的干扰功率水平，并评估其与相关标准及规范要求的符合性6。3 结 论开关电源 PCB 板的 EMI 抑制和抗干扰设计是一个复杂而具有挑战性的领域，需要不断探索和创新，通过持续的努力与研究进一步提升开关电源的抗干扰能力，为电子设备的可靠性和稳定性做出更大贡献。参考文献：1 樊玮丰，李国进，陈延明.基于混沌扩频无损吸收的共模 EMI 抑制方法 J.广西大学学报（自然科学版），2023，48（2）：384-392.2 李 桥，蒋 栋，赵 炫.基于模型预测变开关频率 PWM 的 EMI 主动抑制技术 J.安全与电磁兼容，2022（6）：9-18.3 孙佳威，张丽萍，林苏斌.PFC+半桥 LLC 电路传导共模 EMI 特性分析与抑制 J.福州大学学报（自然科学版），2022，50（6）：789-796.4 李 虹，张冲默，丁宇行.基于混沌脉宽调制的有源 EMI 滤波器高频抑制效果优化设计方法研究 J.中国电机工程学报，2022，42（13）：4642-4652.5 雷 鹏，凌味未，张婉婷，等.低温烧结 BIT掺杂 NiCoZn 铁氧体及高频 EMI 抑制性能研究 J.功能材料，2020，51（1）：1088-1093.6 王 壮，吕 弘，陈 旸.驱动电压过冲对舵控系统传导 EMI 影响及抑制 J.南京师范大学学报（工程技术版），2019，19（4）：44-48.