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小功率便攜式音頻產(chǎn)品的輻射發(fā)射超標(biāo)對(duì)策

作者: 時(shí)間:2014-04-10 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要

小功率便攜式電子產(chǎn)品目前常用鋰電池和 Boost(Buck)芯片給 MCU、Audio 以及顯示屏等器件供電。此類產(chǎn)品通常使用適配器供電,設(shè)計(jì)要求充電部分工作時(shí),必須通過測(cè)試并符合 EMC標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說,為了提高系統(tǒng)工作效率,鋰電池充電芯片都是基于開關(guān)工作方式,類似一個(gè)開關(guān)電源,另外,可能其他的開關(guān)電源芯片在同時(shí)工作,器件均為開關(guān)工作方式,提高了工作效率,同時(shí)引入了輻射問題,這也是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的常見問題。本文基于一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例(用 BQ24133 單電池充電電路和LM3478 升壓電路),對(duì)設(shè)計(jì)過程中曾經(jīng)遇到的輻射難題進(jìn)行了詳盡的分析。確定騷擾源,找出耦合路徑,最終給出解決問題的方法,以供大家作參考。

內(nèi)容

產(chǎn)品電源系統(tǒng)介紹

1.1 背景

實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中,便攜式產(chǎn)品的 EMI 測(cè)試是用適配器給產(chǎn)品充電,有其他外接設(shè)備連接也需要在測(cè)試時(shí)接上。下面以一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)為例,說明這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 EMI 設(shè)計(jì)要注意的問題,以及遇到輻射發(fā)射超標(biāo),如何來(lái)分析問題產(chǎn)生的原因。并找出解決問題的辦法。

1.2 音頻產(chǎn)品供電回路

如下圖 1 是一個(gè) Audio 產(chǎn)品的電源部分的原理圖,這個(gè)產(chǎn)品有一個(gè) charger 芯片 BQ24133,在這個(gè)應(yīng)用中設(shè)置最大充電電流 2A。有一個(gè) Boost 芯片 LM3478,把電池電壓升壓到 10V 給 Audio 芯片供電,滿載電流 1A,另外一個(gè) Boost 芯片 LM3478,把電池電壓升到 5V,給 iphone 或者 ipad 充電,最大電流2A。適配器的直流輸出線規(guī)格是 1.5 米,手機(jī)充電的電源線約 0.5 米,整個(gè) PCB 板面積大概12mm×8mm,設(shè)計(jì)為兩層板。

圖 1:Audio 供電回路圖

2. EMI 問題分析

2.1 EMI 問題的產(chǎn)生

這類便攜式產(chǎn)品要求通過標(biāo)準(zhǔn) EN55022,Class B。這個(gè)產(chǎn)品的初版樣機(jī)在輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)(未接手機(jī)),輻射發(fā)射 30M 到 300M 頻段嚴(yán)重超標(biāo),在 200MHZ 左右,超標(biāo) 20DB 以上。

2.2 分析輻射發(fā)射超標(biāo)的原因:

首先,先分析輻射超標(biāo)產(chǎn)生的原因,我們知道 EMC 三要素,騷擾源,耦合路徑和敏感設(shè)備。這個(gè)產(chǎn)品中開關(guān)方式工作的器件無(wú)疑是騷擾源,也就是 BQ24133(開關(guān)頻率1.6MHZ)和兩個(gè) LM3478(開關(guān)頻率400KHZ)。再看耦合路徑,30M 到 300M 頻段對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是一米到十米,如果要發(fā)射一定波長(zhǎng)的電磁波,需要一根發(fā)射天線,成為天線的必要條件是長(zhǎng)度至少要大于波長(zhǎng)的二十分之一,當(dāng)天線是電磁波半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),發(fā)射功率最大。滿足以上條件能成為天線的導(dǎo)線就是幾根外接線,最有可能的是適配器的直流電源線和地線。分析 layout 設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),只用了一個(gè)地,在整個(gè) PCB 的兩層均大面積鋪地,并且與適配器的地線連接在一起,加上手機(jī)的充電導(dǎo)線,構(gòu)成一根超過兩米長(zhǎng)的地線。另外BQ24133 充電電路和兩個(gè) LM3478 的升壓電路底下也是大面積的鋪地,造成高頻干擾直接耦合到地平面,通過長(zhǎng)的地線發(fā)射出來(lái)。

3. 解決問題的辦法:

針對(duì)以上分析,做了整改。由于是設(shè)備,沒有 PE 線,無(wú)法使用 Y 電容,客戶也不希望使用共模電感增加成本,所以主要優(yōu)化 layout。采取了以下措施:

3.1 Layout 注意事項(xiàng):

1)將每個(gè)電源回路梳理,將模擬地和數(shù)字地分開,每個(gè)單元電路不要相互交叉。BQ24133 的數(shù)字地和模擬地分開走線,在芯片下通過一個(gè) 0 歐姆電阻的單點(diǎn)接。另外,BQ24133 的功率地最好跟整個(gè)產(chǎn)品的地適當(dāng)分割,單點(diǎn)連接。

2)減小諧波回路面積,對(duì) LM3478,如圖,MOS 管開通時(shí),Cin,L 和 MOS 構(gòu)成一個(gè)回路對(duì)電感充電,請(qǐng)看圖 2(a)的 Cycle1。MOS 管關(guān)斷時(shí),Cin,L,D,Cout 構(gòu)成另一個(gè)回路對(duì)電感放電,請(qǐng)看圖 2(b)中的 Cycle2。對(duì)于二極管 D,交替工作在正向?qū)ê头聪蚪刂沟臓顟B(tài),因此,有很高的反向恢復(fù)尖峰電壓,需要在二極管兩端加 Snubber 電路來(lái)抑制這個(gè)尖峰電壓,以避免產(chǎn)生過大的共模噪聲。這兩個(gè)回路的工作頻率是 MOS 的開關(guān)頻率,諧波分量大,布板時(shí)要盡量減小諧波回路的面積。要把這兩個(gè)功率回路的器件靠近放置,走大銅皮寬走線,減小開關(guān)頻率諧波的回路阻抗。

圖 2:LM3478 工作原理圖

BQ24133 實(shí)質(zhì)是一個(gè) Buck 回路。也有類似的問題。請(qǐng)看圖 3,BQ24133 工作原理圖,輸入電容C1,整流管開通,續(xù)流管關(guān)斷,整流管電感和負(fù)載構(gòu)成一個(gè)高頻回路,有很高的 dI/dT。另外,整流管關(guān)斷,續(xù)流管開通時(shí),電感電流通過續(xù)流管續(xù)流(在重載時(shí)續(xù)流管工作在電感電流連續(xù)模式), 電感電流沒有減小到零時(shí)整流管又會(huì)開通,這是續(xù)流管被強(qiáng)制加反向電壓而截止,產(chǎn)生很高的反向恢復(fù)電壓尖峰(雖然是同步整流,由于死區(qū)的存在,死區(qū)時(shí)間內(nèi)仍然是二極管整流),這會(huì)導(dǎo)致比較大的共模噪聲,所以需要在 SW 對(duì) PGND 加 Snubber 電路來(lái)抑制續(xù)流管的反向尖峰。因此,輸入濾波電容 C1、電感 L1 和輸出濾波電容 C2 應(yīng)盡量靠近芯片布置,減小高頻回路面積。功率回路走線應(yīng)走大銅皮寬走線,減小諧波阻抗,最好都布置在 PCB 的同層,Snubber 放置在緊靠下管的位置。

圖 3:BQ24133 高頻電流回路圖

總的來(lái)說,LM3478 和 BQ24133 的輸入輸出走整塊大銅皮,將輸入電容和輸出電容緊靠功率開關(guān)管,使回路圍成的面積最小。選擇 ESR 較小的電容,由于成本原因,這類產(chǎn)品用的電容都比較差,這個(gè)項(xiàng)目原來(lái)用電解電容,建議多增加些瓷片電容組合使用,這樣在低成本下獲得好的效果。這樣使輸入輸出的開關(guān)頻率的諧波回路盡量小,諧波阻抗盡量小,可以減小回路對(duì)外的輻射干擾。

3) 上面提到在 BQ24133 的下管加 Snubber 電路(加在 SW 和 PGND 之間),在 LM3478 的續(xù)流二極管加 Snubber 電路。Snubber 電路緊貼開關(guān)管管腳,加寬走線,高頻諧波就近旁路。 首先可以先預(yù)放一個(gè) 2-3ohm 的電阻,電容取 500-1000pF。在輻射測(cè)試中,如果裕量不足或者超規(guī)格,就適當(dāng)增加 RC,以吸收更多的高頻能量,如果裕量過大,應(yīng)減小 RC 的值以提高效率。

4) 對(duì)于兩層板來(lái)說,將電感和 MOS 等功率器件和功率器件之間走線下面的 GND 銅皮去掉或者減小。降低開關(guān)管到 GND 的分布電容,減小共模耦合。

3.2 其他注意事項(xiàng)

3.2.1 布局

一般來(lái)說,如果條件允許,盡可能把電源回路跟其他電路在布局上適當(dāng)分開。例如,把電源類器件布置在 PCB 左側(cè),跟其他電路適當(dāng)留隔離帶。輸出線和端子盡量遠(yuǎn)離開關(guān)管,電感等器件。在諧波較大的回路上,注意 PCB 走線避免用銳角,盡量倒鈍角或走圓角。

3.2.2 共模電感的使用

對(duì)于多節(jié)電池,充電功率增加,電池輸出線盡量減小長(zhǎng)度,避免電池線變成輻射天線。另外,可考慮適當(dāng)增加共模電感來(lái)抑制電池線共模干擾。

3.2.3 測(cè)試注意事項(xiàng)
建議客戶輻射測(cè)試時(shí)用蓄電池加 1.5 米線做輸入源,排除 Adapter 造成的干擾。另外,測(cè)試中調(diào)整 Snubber 參數(shù),在效率和 EMI 中取得一個(gè)平衡點(diǎn),RC 的值不能加的過大,以免導(dǎo)致 IC 過熱。所以,干擾源噪聲比較大時(shí),要考慮多種措施同時(shí)使用,以取得最優(yōu)的效果。

4.結(jié)論:

經(jīng)過整改后,優(yōu)化了 layout,順利通過了輻射測(cè)試。從這個(gè)項(xiàng)目,總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)。首先,確定騷擾源和發(fā)射天線,增加 Snubber 電路吸收騷擾源的高頻諧波。其次, 判斷耦合路徑,重點(diǎn)通過優(yōu)化 layout,使諧波就近通過電容旁路,減少騷擾源的高頻騷擾到外接長(zhǎng)線的耦合。EMC 設(shè)計(jì)的本質(zhì),就是如何處理好諧波的問題。



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