傳導(dǎo)輻射測(cè)試中分離共模和差模輻射的實(shí)用方法

作者簡(jiǎn)介：Ling Jiang，電氣工程博士。在ADI公司電源產(chǎn)品部，工作地點(diǎn)位于美國(guó)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(chē)、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。E-mail：ling.jiang@analog.com。

Frank Wang，電氣工程碩士。任ADI公司EMI工程師，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試、時(shí)間表安排、工程調(diào)試、測(cè)試儀器校準(zhǔn)和煙室維護(hù)方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。E-mail：frank.wang@analog.com。

Keith Szolusha，碩士，是ADI公司應(yīng)用總監(jiān)，工作地點(diǎn)位于美國(guó)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。E-mail：keith.szolusha@analog.com。

Kurk Mathews是ADI公司電源產(chǎn)品部高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理，工作地點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞。Kurk于1994年加入凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司一部分）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(mén)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(kāi)發(fā)。他喜歡使用各種新舊測(cè)試設(shè)備進(jìn)行模擬電路設(shè)計(jì)和故障排除。E-mail：kurk.mathews@analog.com。

0   引言

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(lèi)：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(qián)。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)，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 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(xiàn)和返回線(xiàn)之間產(chǎn)生，而CM噪聲是通過(guò)雜散電容CSTRAY 在電源線(xiàn)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(xiàn)噪聲——分別為圖1 中的V1 和V2。這些電壓是在50 Ω 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。

1   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2 個(gè)合成器ZFSC-2-1W+（ 0° ）和ZFSCJ-2-1+（ 180° ）來(lái)自Mini-Circuits，用于測(cè)量（1~108）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）V_CM和（b）V_DM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(xiàn)和返回線(xiàn)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 = 0.5VS_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。

2   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，V_IN = 12 V，V_OUT1 = 3.3 V，I_OUT1 = 10 A，V_OUT2 = 5 V，I_OUT2 = 10A。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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)表示總CE，而較低EMI 曲線(xiàn)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

3   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（30~108）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(zhuān)門(mén)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，（30~108）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

4   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(zhuān)門(mén)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)：

[1] AN-10-006:了解功率分路器[Z].Mini-Circuits,2015.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年7月期）