作者：ADI公司 - Ling Jiang，應(yīng)用工程師；Frank Wang，EMI工程師；

Keith Szolusha，應(yīng)用總監(jiān)；Kurk Mathews，高級應(yīng)用經(jīng)理

簡介：

開關(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CM噪聲有效的EMI抑制技術(shù)不一定對DM噪聲有效，反之亦然，因此，確定傳導(dǎo)輻射的來源可以節(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控制的開關(guān)穩(wěn)壓器中分離出來的實(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)，這從長遠(yuǎn)來看可以節(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噪聲是通過雜散電容CSTRAY在電源線和接地層（例如銅測試臺）之間產(chǎn)生。用于CE測量的LISN位于電源和降壓轉(zhuǎn)換器之間。LISN本身不能用于直接測量CM和DM噪聲，但它確實(shí)能測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。

測量CM噪聲和DM噪聲

T型功率合成器是一種無源器件，可將兩個(gè)輸入信號合成為一個(gè)端口輸出。0°合成器在輸出端口產(chǎn)生輸入信號的矢量和，而180°合成器產(chǎn)生輸入信號的矢量差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°）來自Mini-Circuits，用于測量1 MHz至108 MHz的VCM和VDM。對于這些器件，頻率低于1 MHz時(shí)測量誤差會(huì)增大。對于較低頻率的測量，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. 用于測量（a） VCM和（b） VDM的實(shí)驗(yàn)裝置

圖4. 用于測量CM噪聲和DM噪聲的測試設(shè)置

測試設(shè)置如圖3所示。功率合成器已添加到標(biāo)準(zhǔn)CE測試設(shè)置中。LISN針對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VS_CM和VS_DM必須在測試接收器中處理，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，因此測試接收器從接收到的信號中再減去6 dBμV。補(bǔ)償這兩個(gè)因素之后，在測試接收器中讀出測得的CM噪聲和DM噪聲。

CM噪聲和DM噪聲測量的實(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)演示板來驗(yàn)證此方法。演示板的開關(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室中的測試設(shè)置。

圖5和圖6顯示了測試結(jié)果。在圖5中，較高EMI曲線表示使用標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25設(shè)置測得的總電壓法CE，而較低輻射曲線表示添加0°合成器后測得的分離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°合成器后測得的分離DM噪聲。這些測試結(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. 測得的CM噪聲與總噪聲的關(guān)系

圖6.測得的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)測量結(jié)果，在30 MHz至108 MHz范圍，總輻射噪聲超過了CISPR 25 Class 5的限值。通過分離CM和DM噪聲測量，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噪聲的來源之一是開關(guān)電路中的高dV/dt信號。通過增加?xùn)艠O電阻來降低dV/dt，可以降低該噪聲電平。如前所述，CM噪聲通過雜散電容CSTRAY穿過LISN。CSTRAY越小，在LISN中檢測到的CM噪聲就越低。為了減小CSTRAY，應(yīng)減少此演示板上開關(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，并通過測試結(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CM或DM的減輕解決方案來有效抑制噪聲?？傊?，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。

作者簡介

Ling Jiang于2018年畢業(yè)于田納西州諾克斯維爾大學(xué)，獲電氣工程博士學(xué)位。畢業(yè)后，她加入ADI公司電源產(chǎn)品部，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。Ling是一名應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)為汽車、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)和其他應(yīng)用的控制器和μModule器件提供支持。聯(lián)系方式：ling.jiang@analog.com。

Frank Wang獲得德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校電氣工程碩士學(xué)位，在加入ADI公司之前，曾在一家獨(dú)立認(rèn)證的合規(guī)實(shí)驗(yàn)室工作。他曾擔(dān)任EMC/EMI測試工程師和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，擁有四年相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)。Frank在標(biāo)準(zhǔn)測試、時(shí)間表安排、工程調(diào)試、測試儀器校準(zhǔn)和煙室維護(hù)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

Keith Szolusha是ADI公司應(yīng)用總監(jiān)，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。Keith在BBI電源產(chǎn)品部工作，重點(diǎn)關(guān)注升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，同時(shí)還管理電源產(chǎn)品部的EMI室。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院（MIT），1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專攻技術(shù)寫作。

Kurk Mathews是ADI公司電源產(chǎn)品部高級應(yīng)用經(jīng)理，工作地點(diǎn)位于加利福尼亞。Kurk于1994年加入凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司一部分）并擔(dān)任應(yīng)用工程師，為隔離轉(zhuǎn)換器和高功率產(chǎn)品提供支持。其所在部門支持電源應(yīng)用和新型控制器、單芯片轉(zhuǎn)換器、柵極驅(qū)動(dòng)器的開發(fā)。他喜歡使用各種新舊測試設(shè)備進(jìn)行模擬電路設(shè)計(jì)和故障排除。Kurk畢業(yè)于亞利桑那大學(xué)，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。