開關電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設計

伍 穎，唐毓豪

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541000）

0 引 言

為提高開關電源的電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）抑制和抗干擾能力，保證設備的正常運行，工程師們需要深入研究和設計合理的電路布局與濾波設計措施，特別是在印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）的設計中，電源電路的EMI 抑制和抗干擾設計顯得尤為重要。PCB 板設計的EMI問題關系到整個系統的可靠性和穩定性。

1 開關電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設計意義

開關電源是現代電子設備中常用的電源類型，它具有高效率、小體積以及穩定輸出等優點。然而，開關電源在工作時會產生高頻脈沖，這會引起EMI 和其他干擾問題。為確保電子設備的正常運行和滿足國際EMI 標準，開關電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設計非常重要。EMI 抑制設計的意義主要包括以下幾點。第一，符合法規要求。各個國家都制定電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）標準，要求電子設備在工作時不會產生過多的EMI 干擾。通過EMI 抑制設計，開關電源能夠有效降低EMI 輻射和傳導，確保設備符合法規要求并取得相應的認證。第二，防止對其他設備的干擾。開關電源產生的高頻脈沖干擾不僅可能影響到設備自身的正常運行，還可能對其他附近的電子設備造成干擾。EMI 抑制設計可以降低開關電源對周圍設備的電磁干擾，保證整個系統的穩定運行。第三，提高系統可靠性和穩定性。電磁干擾會對電子設備的正常工作產生不利影響，可能導致設備性能下降、信號失真、系統崩潰等問題。通過EMI 抑制設計，可以有效降低設備受到的干擾，提高系統的可靠性和穩定性。第四，減少電源噪聲。開關電源的高頻脈沖會產生較大的電源噪聲，這對一些對電源質量要求較高的敏感電子設備來說是不可接受的。EMI 抑制設計可以有效減少電源噪聲，提供干凈、穩定的電源給其他設備使用。開關電源的基本結構如圖1 所示。

圖1 開關電源的基本結構

2 開關電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設計要點

2.1 PCB 板布局布線設計

開關電源作為一種常見的電源供應單位，其在電子設備中廣泛應用。然而，由于其高頻開關操作和電源線傳輸等特性，可能會引發輻射和傳導的EMI，對設備的正常工作產生影響。因此，為保證開關電源的穩定性和可靠性，針對EMI 抑制和抗干擾設計，在PCB 板前期設計規劃和后期布局布線時需要特別關注以下要點：第一，輸入與輸出區域隔離。為防止輸入和輸出之間的互相干擾，應該采取有效的隔離措施，將輸入和輸出區域分隔開來。通常情況下，可以通過PCB 板地平面的分割或金屬屏蔽罩來實現區域分隔。第二，地線設計。良好的地線設計對于EMI 抑制至關重要。地線應該盡可能低阻抗、低電感，并且在整個電路板上均勻分布。同時，要避免地線環路的形成，以減少回流電流引起的電磁輻射。第三，濾波器的使用。在輸入和輸出電路中加入濾波器可以有效減輕電磁干擾，常用的濾波器包括電容濾波器和電感濾波器，在設計中可以根據實際情況選擇合適的濾波器類型與參數。第四，電源線和信號線的布局。在PCB 設計中，應該避免電源線和信號線的平行走向，盡量交錯布局，或者采用相對角度較大的方式布置，以減少互相之間的干擾。第五，PCB 板疊層結構設計。不同信號層和電源層的布局與堆疊方式也會對EMI 抑制產生影響。通過適當的疊層結構設計，可以降低信號層之間的耦合與互相干擾。第六，地平面和電源平面。在設計過程中，應該充分考慮地平面和電源平面的規劃。地平面和電源平面的充分覆蓋可以有效減少電磁輻射，提高系統的電磁兼容性。第七，引線和連接器的選擇。對于高頻開關電源，合適的引線和連接器選擇也非常重要。應該選擇低阻抗、低電感的引線和連接器，以減少電磁干擾?？傊?，EMI 抑制和抗干擾設計是開關電源設計中的一個重要環節。通過正確的輸入和輸出區域隔離設計，合理選擇濾波器、地線、引線以及連接器，并注意PCB板疊層結構及電源、地平面設計，提高開關電源的抗干擾能力，確保電子設備的正常工作。開關電源的PCB Layout 版圖如圖2 所示。

圖2 開關電源的PCB Layout 版圖

2.2 電源線的濾波和終端抑制

電源線的濾波和終端抑制是開關電源PCB 板EMI 抑制和抗干擾設計中的重要環節。通過有效的電源線濾波和終端抑制措施，可以降低開關電源產生的高頻噪聲和電磁干擾，確保系統的穩定性和可靠性。電源線濾波是通過合理的電路設計和濾波元件選擇，在開關電源的輸入和輸出端對高頻噪聲進行濾除的過程。其主要目的是減少由于電源線上的高頻噪聲傳播而引起的EMI 輻射和干擾其他設備的可能性。在電源線的濾波設計中，需要考慮以下要點。

首先，濾波器類型。根據實際需求和設計指標，選擇適當的濾波器類型。常見的濾波器包括LC 濾波器、RC 濾波器以及Pi 型濾波器等。其次，濾波器參數。根據電源線的特性和工作頻率范圍，確定合適的濾波器參數。其中主要包括電容值、電感值以及阻值等。合理的參數選擇能夠有效地濾除高頻噪聲。最后，濾波電路布局。在PCB 板設計中，合理布局濾波電路。對于輸入端濾波，通常將電容和電感布置在輸入端附近，以最大限度地減小電源線上的高頻噪聲。

對于輸出端濾波，也需要布置合適的濾波電路來濾除輸出電壓的高頻波動。電源線的終端抑制是針對電源線末端信號的干擾進行抑制的措施，其目的在于減少信號在電源線上的傳播和反射，以避免干擾其他設備和系統。

電源線終端抑制的設計時，需要考慮以下要點。一是布局布線設計。盡可能采用較短的電源線，減少線路長度和電源回路面積，并避免電源線與信號線、高速數據線等相互交叉的情況，以減少互相干擾的可能性。三是端接電阻設計。在電源線的末端添加合適的端接電阻，能夠降低電源線的反射和回波，并提高整個系統的抗干擾能力。三是終端降噪電路設計。通過添加降噪電路，如降噪電感和降噪電容等元件，對終端信號進行濾波和抑制。降噪電感和降噪電容能夠有效吸收高頻噪聲和電磁干擾。四是地線設計。合理設計和布置地線，保證地線回流電流的路徑短、分布均勻，并與電源線分開布置，減少相互干擾。通過電源線的濾波和終端抑制設計，可以有效降低開關電源PCB 板產生的高頻噪聲和電磁干擾。這些措施有助于提高系統的抗干擾能力、保證信號的穩定性和可靠性，同時符合相關的EMI 要求。

2.3 輸入端電容和電感的選取

在開關電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設計中，輸入端電容和電感的選取是非常重要的一環。它們在濾波和限制電磁干擾方面起著關鍵作用。

2.3.1 輸入端電容選取

輸入端電容用于濾除輸入電源的高頻噪聲，并提供穩定的電源輸入，選擇輸入端電容的要點包括：第一，容值選擇。輸入端電容的容值決定其濾波效果。較大的電容值可以提供更好的濾波效果，但也會增加成本和占據更多的板空間。一般來說，容值的選擇應該滿足濾波要求，并考慮實際成本和空間限制。第二，電容類型。對于EMI 抑制設計，推薦使用X7R 或X7S 等類別的多層陶瓷電容。它們具有低阻抗、高頻響應良好等特點，非常適合用于高頻噪聲濾波。第三，電容質量。選擇品質有保障、可靠性高的電容器，以確保其長期穩定性和性能[1]。

2.3.2 輸入端電感選取

輸入端電感用于抑制開關電源輸出回流電流的高頻噪聲，以減少電磁輻射和干擾，選擇輸入端電感的要點如下。第一，電感值選擇。應適當選擇輸入端電感的值，以保證在工作頻率范圍內具有良好的阻抗特性，有效濾除高頻噪聲。一般來說，較大的電感值可以提供更好的抑制效果，但也會增加成本和占據更多的板空間。第二，電感類型。常用的輸入端電感類型包括線圈電感和片式電感。線圈電感具有高阻抗、高品質因數等特點，適合于高頻噪聲濾波；片式電感體積小、工作頻率范圍廣，適合于緊湊和高性能設計。第三，電感材料。選擇高頻性能良好的磁性材料，如鐵氧體、鐵氟龍等，以確保電感器具有優異的高頻特性[2]。

2.4 濾波器的類型和參數選擇

在開關電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設計中，濾波器被廣泛應用于輸入和輸出電路，用于抑制高頻噪聲并減少電磁干擾，它的類型和參數選擇非常重要。輸入濾波器主要分為LC 濾波器和RC 濾波器2 類。LC 濾波器由電感和電容組成，廣泛用于開關電源的輸入端濾波。它可以有效濾除高頻噪聲，并提供穩定的電源輸入。在選擇LC 濾波器時，應根據設備需求和EMI 要求綜合考慮電感和電容的參數，如電感值、電容值以及品質因數等。RC濾波器由電阻和電容組成，適用于一些低頻噪聲的去除，但對于高頻噪聲抑制效果較差。輸出濾波器主要分為LC 濾波器和Pi 型濾波器2 類。在開關電源的輸出端，LC 濾波器用于平滑輸出電壓并抑制高頻噪聲。同樣，根據需要選擇合適的電感和電容參數。Pi 型濾波器由電感和電容組成，相比于LC 濾波器，其具有更好的抑制高頻噪聲的能力[3]。濾波器的參數選擇主要包括以下3 點：第一，容值選擇。濾波器的電容容值和電感值應根據開關頻率、工作電壓以及濾波要求來選擇。一般來說，較大的電容值和電感值可以提供更好的濾波效果，但也會增加成本和占據更多的板空間。第二，品質因數選擇。品質因數（Q值）反映濾波器的帶寬和損耗特性。較高的Q值通常表示更銳利的濾波特性，但也可能導致較大的損耗。根據實際需求，綜合考慮帶寬要求和損耗限制來選擇合適的Q值。第三，電感器材料選擇。選擇高頻性能良好的磁性材料，如鐵氧體或鐵氟龍等，以確保電感具有良好的高頻特性和抑制能力[4]。LC 濾波器的示意如圖3 所示，RC 濾波器的示意如圖4 所示。

圖3 LC 濾波器的示意

圖4 RC 濾波器的示意

2.5 EMI 測試的主要參數和指標

EMI 測試是對開關電源PCB 板的電磁兼容性進行評估的重要環節。通過EMI 測試，可以確定系統是否符合相關標準和規范要求、評估系統的抗干擾能力。輻射測試包括以下2 種。一是輻射電磁場，這是衡量開關電源PCB 板產生電磁場輻射的主要指標，通常以峰值電壓或峰值電流表示，測試時需要測量輻射源附近的電場或磁場強度，以評估輻射干擾的程度[5]。二是輻射頻譜，測試時需要測量開關電源系統產生的電磁輻射頻譜，該頻譜通常覆蓋在規定的頻率范圍內。測試人員會測量并檢查特定頻段內的輻射功率水平，并評估其與相關標準及規范要求的符合性。傳導測試包括2 種。一是傳導干擾，這是測量開關電源PCB 板在電源線和信號線上傳導電磁干擾的主要指標，測試時需要測量電源線和信號線上的噪聲電壓或噪聲電流，以判斷傳導干擾的強度。二是傳導頻譜，測試時還需要測量并分析開關電源系統在電源線和信號線上的電磁干擾頻譜。該頻譜通常覆蓋在規定的頻率范圍內，測試人員會檢查特定頻段內的干擾功率水平，并評估其與相關標準及規范要求的符合性[6]。

3 結 論

開關電源PCB 板的EMI 抑制和抗干擾設計是一個復雜而具有挑戰性的領域，需要不斷探索和創新，通過持續的努力與研究進一步提升開關電源的抗干擾能力，為電子設備的可靠性和穩定性做出更大貢獻。