消费电子、家电、报警系统以及其他射频敏感设备中,开关电源虽然效率高、体积小,但同时也会成为显著的电磁干扰源。EMI 严重时不仅影响无线或模拟电路,还可能让设备出现误动作甚至无法正常工作。

原文将优化思路分成两类:一类从开关节点波形本身入手,控制开关沿和振铃;另一类通过元件摆放和 PCB 回路规划减少耦合。两类方法往往需要同时使用。

一、开关节点为什么是 EMI 的重点区域?

开关电源中的 SW 节点具有快速电压跳变。开关沿越快,dV/dt 越高,寄生电容耦合和辐射电场越强;如果 SW 节点同时存在明显振铃,还会在更宽的频率范围内产生额外能量。因此,开关速度和振铃幅度通常是 EMI 调试的两个直接抓手。

典型开关电源应用电路

二、方法一:适当放慢开关沿,降低 dV/dt

原文通过开关速度控制,把 SW 节点上升时间和下降时间适当拉长,从而降低电压变化率。示波器对比显示,上升沿由约 5.2 ns 延长到约 26 ns,下降沿也从约 22 ns 延长到约 61 ns。

开关速度控制前后的 SW 上升沿对比

开关速度控制前后的 SW 下降沿对比

这类方法的本质不是一味追求更慢,而是在开关损耗和 EMI 之间找平衡。开关过快,EMI 和振铃增加;开关过慢,则 MOSFET 处于线性区的时间变长,开关损耗会增加。

三、方法二:抑制轻载振铃

原文指出,SW 节点振铃越明显,EMI 表现往往越差。示例方案在 SW 与 GND 之间增加 1 kΩ 电阻和辅助开关 S1。轻载时,当高侧和低侧开关都关断,S1 导通,为电感中的部分电流提供释放路径,从而减轻开关节点振铃。

无防振铃控制时 SW 节点振铃较明显

加入防振铃控制后 SW 振铃减小

原文给出的测试条件为 VIN=12 V、VOUT=3.3 V、IOUT=10 mA。随后 EMI 测试曲线也表明,在开关速度控制与防振铃控制同时作用后,干扰水平明显下降。

开关速度控制与防振铃控制前后的 EMI 测试对比

四、PCB 布局往往比后加滤波更重要

反馈 FB 是敏感模拟信号,而 SW 是强噪声节点。如果二者靠得太近,或者回流路径交叉,开关噪声很容易进入反馈环路,造成输出纹波增大,严重时甚至影响稳压环路正常工作。

原文首先强调输入电容要靠近 IC。这样可以缩小高 di/dt 输入电流回路的面积,减小其产生的磁场。

输入电容靠近 IC 可缩小高频磁场回路

五、SW 焊盘尽量小,并优先使用屏蔽电感

SW 节点面积越大,对周围空间和邻近走线的电场耦合越强,因此 SW pad 不应为了“好布线”而无意义放大。原文同时建议使用屏蔽电感,以减少磁场向外扩散。

减小 SW 区域有助于降低电场耦合

六、原文给出的 PCB 布局检查清单

· IC GND 与系统 GND 采用单点连接思路。

· 输入地到 GND 的连接尽可能短且宽。

· VCC 去耦电容使用多个过孔或宽走线回到 IC 地。

· 输入电容到 IN 引脚之间保持短而宽。

· 反馈网络走线短,反馈电阻和补偿器件靠近芯片。

· SW 节点远离 FB 等敏感模拟信号。

· 尽量使用屏蔽电感,并缩小 SW 铜皮。

七、MP2317 应用示例说明了什么?

原文以 MP2317 系列作为面向消费电子和射频敏感应用的示例。该系列可用于次级侧 DC/DC,输入范围为 7.5 V~26 V,静态电流约 150 µA,并带有过温、低压和过流等保护。

MP2317 在空调系统中的次级 DC/DC 应用示意

原文还给出效率数据:最高效率可达 96%,在 12 V 转 5 V、20 mA 负载时效率约 80%。同时给出了单层 PCB 布局与负载瞬态波形,用来说明器件在实际消费电子系统中的布局与动态性能。

MP2317 效率曲线

MP2317 单层 PCB 布局示例

MP2317 负载瞬态响应示例

总结开关电源 EMI 优化可以概括为三个动作:控制噪声源、缩小耦合路径、保护敏感节点。具体到电路,就是适当控制 SW 开关沿、降低振铃;具体到 PCB,就是缩小高频回路和 SW 铜皮、让输入电容贴近 IC、让 FB 远离噪声区域。很多 EMI 问题越早在原理图和布局阶段解决,后期就越不需要依赖额外滤波和屏蔽补救。