簡(jiǎn)介：
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的EMI分為電磁輻射和傳導(dǎo)輻射(CE)。本文重點(diǎn)討論傳導(dǎo)輻射，其可進(jìn)一步分為兩類：共模(CM)噪聲和差模(DM)噪聲。為什么要區(qū)分CM-DM？對(duì)CM噪聲有效的EMI抑制技術(shù)不一定對(duì)DM噪聲有效，反之亦然，因此，確定傳導(dǎo)輻射的來(lái)源可以節(jié)省花在抑制噪聲上的時(shí)間和金錢。本文介紹一種將CM輻射和DM輻射從LTC7818控制的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中分離出來(lái)的實(shí)用方法。知道CM噪聲和DM噪聲在CE頻譜中出現(xiàn)的位置，電源設(shè)計(jì)人員便可有效應(yīng)用EMI抑制技術(shù)，這從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和BOM成本。
圖1. 降壓轉(zhuǎn)換器中的CM噪聲路徑和DM噪聲路徑
圖1顯示了典型降壓轉(zhuǎn)換器的CM噪聲和DM噪聲路徑。DM噪聲在電源線和返回線之間產(chǎn)生，而CM噪聲是通過(guò)雜散電容CSTRAY在電源線和接地層（例如銅測(cè)試臺(tái)）之間產(chǎn)生。用于CE測(cè)量的LISN位于電源和降壓轉(zhuǎn)換器之間。LISN本身不能用于直接測(cè)量CM和DM噪聲，但它確實(shí)能測(cè)量電源和返回電源線噪聲——分別為圖1中的V1和V2。這些電壓是在50Ω電阻上測(cè)得的。根據(jù)CM和DM噪聲的定義，如圖1所示，V1和V2可以分別表示為CM電壓(VCM)和DM電壓(VDM)的和與差。因此，V1和V2的平均值就是VCM，而V1和V2之差的一半就是VDM。
測(cè)量CM噪聲和DM噪聲
T型功率合成器是一種無(wú)源器件，可將兩個(gè)輸入信號(hào)合成為一個(gè)端口輸出。0°合成器在輸出端口產(chǎn)生輸入信號(hào)的矢量和，而180°合成器產(chǎn)生輸入信號(hào)的矢量差1。因此，0°合成器可用于產(chǎn)生VCM，180°合成器產(chǎn)生VDM。
圖2所示的兩個(gè)合成器ZFSC-2-1W+ (0°)和ZFSCJ-2-1+ (180°)來(lái)自Mini-Circuits，用于測(cè)量1 MHz至108 MHz的VCM和VDM。對(duì)于這些器件，頻率低于1 MHz時(shí)測(cè)量誤差會(huì)增大。對(duì)于較低頻率的測(cè)量，應(yīng)使用其他合成器，例如ZMSC-2-1+ (0°)和ZMSCJ-2-2 (180°)。
圖2. 0°和180°合成器
圖3. 用于測(cè)量(a) VCM和(b) VDM的實(shí)驗(yàn)裝置
圖4. 用于測(cè)量CM噪聲和DM噪聲的測(cè)試設(shè)置
測(cè)試設(shè)置如圖3所示。功率合成器已添加到標(biāo)準(zhǔn)CE測(cè)試設(shè)置中。LISN針對(duì)電源線和返回線的輸出分別連接到合成器的輸入端口1和輸入端口2。0°合成器的輸出電壓為VS_CM = V1 + V2；180°合成器的輸出電壓為V S_DM = V1 –V2。
合成器的輸出信號(hào)VS_CM和VS_DM必須在測(cè)試接收器中處理，以產(chǎn)生VCM和VDM。首先，功率合成器已指定接收器中補(bǔ)償?shù)牟迦霌p耗。其次，由于VCM = 0.5 VS_CM且VDM = 0.5 VS_DM，因此測(cè)試接收器從接收到的信號(hào)中再減去6 dBμV。補(bǔ)償這兩個(gè)因素之后，在測(cè)試接收器中讀出測(cè)得的CM噪聲和DM噪聲。
CM噪聲和DM噪聲測(cè)量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
使用一個(gè)裝有雙降壓轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)演示板來(lái)驗(yàn)證此方法。演示板的開(kāi)關(guān)頻率為2.2 MHz，VIN = 12 V，VOUT1 = 3.3 V，IOUT1 = 10 A，VOUT2 = 5 V，IOUT2 = 10 A。圖4顯示了EMI室中的測(cè)試設(shè)置。
圖5和圖6顯示了測(cè)試結(jié)果。在圖5中，較高EMI曲線表示使用標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25設(shè)置測(cè)得的總電壓法CE，而較低輻射曲線表示添加0°合成器后測(cè)得的分離CM噪聲。在圖6中，較高輻射曲線表示總CE，而較低EMI曲線表示添加180°合成器后測(cè)得的分離DM噪聲。這些測(cè)試結(jié)果符合理論分析，表明DM噪聲在較低頻率范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位，而CM噪聲在較高頻率范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位。
圖5. 測(cè)得的CM噪聲與總噪聲的關(guān)系
圖6.測(cè)得的DM噪聲與總噪聲的關(guān)系
調(diào)整后的演示板符合CISPR 25 Class 5標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)測(cè)量結(jié)果，在30 MHz至108 MHz范圍，總輻射噪聲超過(guò)了CISPR 25 Class 5的限值。通過(guò)分離CM和DM噪聲測(cè)量，發(fā)現(xiàn)此范圍內(nèi)的高傳導(dǎo)輻射似乎是由CM噪聲引起的。添加或增強(qiáng)DM EMI濾波器或以其他方式降低輸入紋波幾乎沒(méi)有意義，因?yàn)檫@些抑制技術(shù)不會(huì)降低該范圍內(nèi)引發(fā)問(wèn)題的CM噪聲。
因此，該演示板展示了專門解決CM噪聲的辦法。CM噪聲的來(lái)源之一是開(kāi)關(guān)電路中的高dV/dt信號(hào)。通過(guò)增加?xùn)艠O電阻來(lái)降低dV/dt，可以降低該噪聲電平。如前所述，CM噪聲通過(guò)雜散電容CSTRAY穿過(guò)LISN。CSTRAY越小，在LISN中檢測(cè)到的CM噪聲就越低。為了減小CSTRAY，應(yīng)減少此演示板上開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的覆銅面積。此外，轉(zhuǎn)換器輸入端添加了一個(gè)CM EMI濾波器，以獲得高CM阻抗，從而降低進(jìn)入LISN的CM噪聲。通過(guò)實(shí)施這些辦法，30 MHz至108 MHz范圍的噪聲得以充分降低，從而符合CISPR 25 Class 5標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示。
圖7. 總噪聲得到改善
結(jié)論
本文介紹了一種用于測(cè)量和分離總傳導(dǎo)輻射中的CM噪聲和DM噪聲的實(shí)用方法，并通過(guò)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。如果設(shè)計(jì)人員能夠分離CM和DM噪聲，便可實(shí)施專門針對(duì)CM或DM的減輕解決方案來(lái)有效抑制噪聲。總之，這種方法有助于快速找到EMI故障的根本原因，節(jié)省EMI設(shè)計(jì)的時(shí)間。
參考文獻(xiàn)
“AN-10-006：了解功率分路器”。Mini-Circuits，2015年4月。
