開關(guān)穩(wěn)壓器的EMI分為電磁輻射和傳導輻射(CE)。本文重點討論傳導輻射，其可進一步分為兩類：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，確定傳導輻射的來源可以節(jié)省花在抑制噪聲上的時間和金錢。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)計人員便可有效應用EMI抑制技術(shù)，這從長遠來看可以節(jié)省設(shè)計時間和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，可將兩個輸入信號合成為一個端口輸出。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時測量誤差會增大。對于較低頻率的測量，應使用其他合成器，例如ZMSC-2-1+ (0°)和ZMSCJ-2-2 (180°)。

測試設(shè)置如圖3所示。功率合成器已添加到標準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VS_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。補償這兩個因素之后，在測試接收器中讀出測得的CM噪聲和DM噪聲。

CM噪聲和DM噪聲測量的實驗驗證

使用一個裝有雙降壓轉(zhuǎn)換器的標準演示板來驗證此方法。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曲線表示使用標準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)占主導地位，而CM噪聲在較高頻率范圍內(nèi)占主導地位。

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標準

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)的高傳導輻射似乎是由CM噪聲引起的。添加或增強DM EMI濾波器或以其他方式降低輸入紋波幾乎沒有意義，因為這些抑制技術(shù)不會降低該范圍內(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。通過增加柵極電阻來降低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，應減少此演示板上開關(guān)節(jié)點的覆銅面積。此外，轉(zhuǎn)換器輸入端添加了一個CM EMI濾波器，以獲得高CM阻抗，從而降低進入LISN的CM噪聲。通過實施這些辦法，30 MHz至108 MHz范圍的噪聲得以充分降低，從而符合CISPR 25 Class 5標準，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輻射中的CM噪聲和DM噪聲的實用方法，并通過測試結(jié)果進行了驗證。如果設(shè)計人員能夠分離CM和DM噪聲，便可實施專門針對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)計的時間。

參考電路

“AN-10-006：了解功率分路器。” Mini-Circuits，2015年4月。

作者

Ling Jiang

Ling Jiang于2018年畢業(yè)于田納西州諾克斯維爾大學，獲電氣工程博士學位。畢業(yè)后，她加入ADI公司電源產(chǎn)品部，工作地點位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。Ling是一名應用工程師，負責為汽車、數(shù)據(jù)中心、工業(yè)和其他應用的控制器和μModule器件提供支持。

Frank Wang

Frank Wang獲得德克薩斯大學達拉斯分校電氣工程碩士學位，在加入ADI公司之前，曾在一家獨立認證的合規(guī)實驗室工作。他曾擔任EMC/EMI測試工程師和項目負責人，擁有四年相關(guān)工作經(jīng)驗。Frank在標準測試、時間表安排、工程調(diào)試、測試儀器校準和煙室維護方面擁有豐富的經(jīng)驗。

Keith Szolusha

Keith Szolusha 是位于加利福尼亞州苗必達的ADI公司（前凌力爾特公司）LED驅(qū)動器應用經(jīng)理。他于1997年和1998年獲得馬薩諸塞州劍橋麻省理工學院的電子工程學士和電子工程碩士學位，專攻技術(shù)寫作。

Kurk Mathews

Kurk Mathews是ADI公司（加利福尼亞）電源產(chǎn)品部高級應用經(jīng)理。Kurk于1994年加入凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司一部分）擔任應用工程師，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用和新型控制器、單芯片轉(zhuǎn)換器和柵極驅(qū)動器的開發(fā)。他喜歡使用各種新舊測試設(shè)備進行模擬電路設(shè)計和故障排除。Kurk畢業(yè)于亞利桑那大學，獲得電氣工程學士學位。

審核編輯黃宇