开关电源，电磁干扰，EMC以及电路相关技术分享

我们知道开关电源因其工作效率高、体积紧凑及输出稳定性出色而被越来越广泛的应用于我们日常生活中，虽然开关电源的优点很多，但是也存在着一些无法避免的缺陷，比如因为开关电源工作过程中的高频率特性，这个优点就会导致开关电源会出现显著的电磁干扰问题。 而电磁干扰的出现会对其附近的通信设备或者传感器等设备产生干扰，可能会出现信号传输错误、数据丢失或者通信中断等问题；也有可能会让周边的电子设备的电路产生误动作，让周边电子设备死机蓝屏等问题。

为了避免这些问题，我们最佳的方案是消除电磁干扰，但是事实上开关电源的电磁干扰是很难彻底消除的，所以我们能做的事情就是将电磁干扰抑制在一定的范围内，让电磁干扰无法干扰到其他设备和电路。

为了将电磁干扰压制在一定范围内，我们首先要了解电磁干扰的干扰源，经过前辈的不懈努力发现，发现干扰源的核心问题在于工作过程中产生的高di/dt和高dv/dt；这些高频率特性引发的浪涌电流和尖峰电压，共同构成了主要的干扰源。此外，工频整流滤波的大电容充电放电、开关管高频切换时的电压变化，以及输出整流二极管的反向恢复电流，也都会对电磁兼容性构成威胁。

经过前辈的总结，他们将电磁噪声分为两大类：一类是外部噪声，如电网传输的共模和差模噪声，以及外部电磁辐射对开关电源控制电路的干扰；另一类则是开关电源自身产生的电磁噪声，如开关管和整流管电流尖峰所引发的谐波及电磁辐射干扰。

针对于外部的噪声，我们可以通过在开关电源的输入和输出端安装高性能的电磁干扰滤波器，目前比较常见的手段就是安装共模滤波器（共模电感）和差模滤波器（差模电感），这样可以有效的截止外部电磁干扰通过电源输入端传递到开关电源内部；还有就是可以通过将开关电源安装到金属屏蔽罩中，并且确保屏蔽罩接地良好，形成法拉第笼效应，从而阻止外部电磁波进入电源内部。

针对于内部的电磁噪声，我们可通过将开关电源中的功率元器件和控制元器件分开布局，这样可以减小功率元器件对控制电路的电磁干扰；还可以通过将滤波元器件尽量靠近相对应的被滤波的会产生强电磁干扰的元器件，从而提高滤波效果，减小电磁干扰；我们还可以通过加粗电源线和地线，从而减小线路电阻和电感，降低电源线上的压降和地线阻抗，从而减小电磁干扰传播路径。

目前我们有一个对内部电磁干扰抑制比较有效的手段就是采用软开关技术，就是采用零电压开关zvs和零电流技术zcs，这种技术可以降低开关管的导通和关断过程中的电压、电流变化率，从而减小电磁干扰的产生。

所以我们在设计和优化开关电源时，必须充分考虑这些电磁干扰问题。一方面，要确保开关电源不会对电网和其他电子设备造成干扰；另一方面，也要加强其自身对电磁环境的适应能力。通过深入理解和分析开关电源噪声的产生原因和途径，我们可以为设计出更符合电磁兼容要求的开关电源提供有力的理论支持和实践指导。

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从辐射角度总结来说，形成天线效应的可能有三种情况；从辐射抗干扰角度来说，单极子天线和环形天线需要重点寻找及关注，定向的找到这些等效天线或许就能解决问题。

下面以两篇案例介绍：

1.手持抗干扰测试中发现摄像头出现了卡死现象。

现如今的摄像头多是单端同轴信号线，相对于之前的差分信号传输，无论是从抗干扰角度还是辐射角度，都增加了挑战。在一次手持天线抗干扰实验中，频率为1.2GHz左右时，在如下位置发现有个摄像头出现了卡死。

当实验的测试点位于连接器处时，反而没有这个问题，说明通过线束辐射干扰摄像头传输的概率很小，大概率是通过板内的其他天线信号引入，干扰了摄像头信号。

首先检查了该处有无可能的天线，发现当时为了debug方便，将MCU的UART串口线通过该塑料外壳引了出来，如下图所示

为了验证猜想，我们将该UART串口线束拔除了，重新测试了多次，发现没有出现摄像头卡死现象；再将UART串口线束接上，再重新测试几次，发现每次都会出现卡死现象。可以确认干扰信号通过该串口线束引入产品，干扰了摄像头信号。

2.在做RI辐射抗干扰测试中，在200MHz-1GHz时，包括400MHz,800MHz，250MHz等多个频点出现了USB断连现象。因为1GHz以下是针对线束进行实验的，我们首先怀疑干扰信号通过该USB线束进入，干扰了USB信号。

当时为了提高验证速度，首先从软件角度来改善该问题，我们通过增强USB驱动增益和提升断联阈值，发现有的频点可以通过，但是有的频点无法通过实验，没有找到问题的症结所在。但是在实验中发现一个有趣的现象，金属U盘稳定不过，塑料U盘有时候能过，有时候过不了。相对塑料U盘，金属U盘的屏蔽性应该更好才对，于是我们用万用表测量了信号GND和外壳的导通性，奇怪的是，金属U盘的外壳跟信号GND不通，塑料U盘的外壳跟信号GND反而是通的。

这一点完全颠覆了以前的想法，查阅了相关资料发现金属U盘的外壳跟信号GND不连接主要是考虑当人手带静电时，静电的信号会从外壳导入干扰到信号GND，进而引起USB通信异常；而塑料U盘，因为是塑料外壳，存在一定的爬电距离，能够抵抗一定的静电干扰。

而我们的USB2.0线束通常是屏蔽层并没有跟信号GND相连，而USB3.0的线束通常是屏蔽层跟信号GND相连。鉴于此，如果用USB2.0线束接金属U盘，由于金属U盘外壳不跟信号GND相连，那么对于此时的USB屏蔽线束而言，就是单端接地，牺牲了屏蔽效能，但是能够阻挡静电干扰；如果接塑料U盘，那就是。两端接地，屏蔽效能更加好。基于以上分析，可以解释为什么塑料U盘的测试结果会更加好了。而USB3.0由于速率更高，对于屏蔽效能的要求更加好，而且USB信号通常也会增加ESD管，综合考虑，都是两端接地。

解释了塑料U盘跟金属U盘的差异，虽然说明了为什么塑料U盘效果更加好，但是仍然没有解决问题。但是从塑料U盘跟金属U盘的差异结果，我们推断问题应该是出在线束的屏蔽效能上，联想到之前关于屏蔽层猪尾巴的问题，将屏蔽线束拨开，发现真的出现了猪尾巴效应。猪尾巴效应，从天线角度可以理解为，USB信号在传输时，虽然是单端接地，但是由于USB 的信号频率可以达到240MHz,也可以通过容性耦合通过屏蔽层形成环路，如果外壳跟屏蔽层的接触阻抗较高，那么会形成共模干扰，其实也就是环路面积增大，即环形天线的面积增加，会更加耦合干扰；从抗干扰角度来说，干扰信号通过屏蔽层泄放干扰时，由于阻抗较高，形成电压差，屏蔽层也会形成单极子天线，形成二次干扰，干扰USB信号传输。

鉴于此，我们用铜箔将屏蔽层跟type A接口360°环接

再次复测实验，发现不论是用金属U盘还是塑料U盘，都可以稳定通过实验。

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在电路设计中，我们常常会在部分模块的信号链路之间，增加一个串联电阻，从几ohm~几kohm不等，这篇文章给新手小白图文并茂地讲解一下。

1、串联端接，抑制反射在高速信号电路中，当信号在传输线传播时，感受到的瞬时阻抗发生变化就会导致反射，进而带来过冲、振铃、回沟等一系列现象。比如，在UFS/eMMC的单端时钟信号设计当中，我们通常需要对传输线做50omh的阻抗控制。但由于host在设计时，通常存在一个内阻R1，此时就需要我们靠近host pin串联一个几十ohm电阻R2，使R1+R2=50ohm，即我们常说的串联端接。以此来抑制信号反射。如下图ADS仿真所示：

2、ESD/EOS防护电阻的限流、分压作用，是大家最耳熟能详的了。电阻中串联电阻进行ESD/EOS防护，就是利用的电阻这个最基本的性能。当信号受到ESD/EOS干扰后，电阻可以分摊掉一定的能量，从而保护了后级IC。但是通常需要搭配TVS管来用更加保险，避免较大的能量直接烧毁电阻。如下图所示，TVS可以将大多数能量吸收，串联的电阻则锦上添花。电阻值的选择，可以根据信号速率、过流需求来选择：几十ohm~几kohm不等。

3、滤波在一些敏感信号或电源中，比如音频信号。通常会串联电阻和电容搭配形成RC滤波，用于抑制网络上的噪声。在某些场景中，还可以将电阻替换成同封装的电感或磁珠，以获得更好的频率选择和过流特性。

4、方便调试几乎在所有的设计当中，都能见到大量串联0ohm的"冗余"设计，说到底就是为了方便调试和兼容设计。如下图的三个例子：在关键电源中串联0ohm电阻，方便对电流/效率的精确测量；在一些功能切换的场景，也可以预留0ohm，方便回板后调试；在一些敏感电路或时钟电路中，也可以预留0ohm电阻，预留滤波调试手段。

总结一下，信号链路中串联电阻主要用途基本就是上述4种：串联端接、抑制反射；ESD/EOS防护；滤波；方便调试。

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