小功率便攜式音頻產(chǎn)品(含Charger和DC-DC)的輻射發(fā)射超標(biāo)對(duì)策

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(guò)測(cè)試并符合 EMC標(biāo)準(zhǔn)。一般來(lái)說(shuō)，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(wèn)題，這也是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的常見問(wèn)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(guò)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(wèn)題的方法，以供大家作參考。

1. 便攜式音頻產(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(shuō)明這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 EMI 設(shè)計(jì)要注意的問(wèn)題，以及遇到輻射發(fā)射超標(biāo)，如何來(lái)分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因。并找出解決問(wèn)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(wèn)題分析

2.1 EMI 問(wèn)題的產(chǎn)生

這類便攜式產(chǎn)品要求通過(guò)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(guò)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(guò)長(zhǎng)的地線發(fā)射出來(lái)。

3. 解決問(wèn)題的辦法:

針對(duì)以上分析，做了整改。由于是便攜式音頻設(shè)備，沒(méi)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(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)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(méi)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(shuō)，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(guò)大，應(yīng)減小 RC 的值以提高效率。

4) 對(duì)于兩層板來(lái)說(shuō)，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(shuō)，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(guò)大，以免導(dǎo)致 IC 過(guò)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(guò)整改后，優(yōu)化了 layout，順利通過(guò)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(guò)優(yōu)化 layout，使諧波就近通過(guò)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(wèn)題。