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传导辐射测试中分离共模和差模辐射的实用方法

作者:Ling Jiang,Frank Wang,Keith Szolusha,Kurk Mathews (ADI公司)时间:2021-07-22来源:电子产品世界收藏

作者简介:Ling Jiang,电气工程博士。在ADI公司电源产品部,工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。Ling是一名应用工程师,负责为汽车、数据中心、工业和其他应用的控制器和μModule器件提供支持。E-mail:ling.jiang@analog.com。

本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/202107/427064.htm

Frank Wang,电气工程硕士。任ADI公司EMI工程师,在标准测试、时间表安排、工程调试、测试仪器校准和烟室维护方面拥有丰富的经验。E-mail:frank.wang@analog.com。

Keith Szolusha,硕士,是ADI公司应用总监,工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。Keith在BBI电源产品部工作,重点关注升压、降压-升压和LED驱动器产品,同时还管理电源产品部的EMI室。E-mail:keith.szolusha@analog.com。

Kurk Mathews是ADI公司电源产品部高级应用经理,工作地点位于美国加利福尼亚。Kurk于1994年加入凌力尔特(现为ADI公司一部分)担任应用工程师,为隔离转换器和高功率产品提供支持。其所在部门支持电源应用和新型控制器、单芯片转换器、栅极驱动器的开发。他喜欢使用各种新旧测试设备进行模拟电路设计和故障排除。E-mail:kurk.mathews@analog.com。

0   引言

开关稳压器的EMI 分为电磁辐射和(CE)。本文重点讨论,其可进一步分为两类:共模(CM)噪声和差模(DM)噪声。为什么要区分CM-DM ?对CM 噪声有效的EMI 抑制技术不一定对DM 噪声有效,反之亦然,因此,确定的来源可以节省花在抑制噪声上的时间和金钱。本文介绍一种将CM 辐射和DM 辐射从LTC7818 控制的开关稳压器中分离出来的实用方法。知道CM 噪声和DM 噪声在CE 频谱中出现的位置,电源设计人员便可有效应用EMI 抑制技术,从长远来看可以节省设计时间和BOM 成本。

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图1 显示了典型降压转换器的CM 噪声和DM 噪声路径。DM 噪声在电源线和返回线之间产生,而CM噪声是通过杂散电容CSTRAY 在电源线和接地层(例如铜测试台)之间产生。用于CE 测量的LISN 位于电源和降压转换器之间。LISN 本身不能用于直接测量CM 和DM 噪声,但它确实能测量电源和返回电源线噪声——分别为图1 中的V1 和V2。这些电压是在50 Ω 电阻上测得的。根据CM 和DM 噪声的定义,如图1 所示,V1 和V2 可以分别表示为CM 电压(VCM)和DM 电压(VDM)的和与差。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   测量CM噪声和DM噪声

T 型功率合成器是一种无源器件,可将两个输入信号合成为一个端口输出。0° 合成器在输出端口产生输入信号的矢量和,而180° 合成器产生输入信号的矢量差[1]。因此, 0° 合成器可用于产生VCM, 180° 合成器产生VDM。

图2 所示的2 个合成器ZFSC-2-1W+( 0° )和ZFSCJ-2-1+( 180° )来自Mini-Circuits,用于测量(1~108)MHz 的VCM 和VDM。对于这些器件,频率低于1 MHz 时测量误差会增大。对于较低频率的测量,应使用其他合成器, 例如ZMSC-2-1+( 0° ) 和ZMSCJ-2-2( 180° )。

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图2 0°和180°合成器

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图3 用于测量(a)VCM和(b)VDM的实验装置

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图4 用于测量CM噪声和DM噪声的测试设置

测试设置如图3 所示。功率合成器已添加到标准CE 测试设置中。LISN 针对电源线和返回线的输出分别连接到合成器的输入端口1 和输入端口2。0° 合成器的输出电压为VS_CM = V1+V2; 180° 合成器的输出电压为V S_DM = V1–V2。合成器的输出信号VS_CM 和VS_DM 必须在测试接收器中处理,以产生VCM 和VDM。首先,功率合成器已指定接收器中补偿的插入损耗。其次,由于VCM = 0.5VS_CM 且VDM = 0.5 VS_DM,因此测试接收器从接收到的信号中再减去6 dBμV。补偿这两个因素之后,在测试接收器中读出测得的CM 噪声和DM 噪声。

2   CM噪声和DM噪声测量的实验验证

使用一个装有双降压转换器的标准演示板来验证此方法。演示板的开关频率为2.2 MHz,VIN = 12 V,VOUT1 = 3.3 V,IOUT1 = 10 A,VOUT2 = 5 V,IOUT2 = 10A。图4 显示了EMI 室中的测试设置。

图5 和图6显示了测试结果。在图5 中,较高EMI 曲线表示使用标准CISPR 25 设置测得的总电压法CE,而较低辐射曲线表示添加0° 合成器后测得的分离CM 噪声。在图6 中, 较高辐射曲线表示总CE,而较低EMI 曲线表示添加180° 合成器后测得的分离DM 噪声。这些测试结果符合理论分析,表明DM 噪声在较低频率范围内占主导地位,而CM 噪声在较高频率范围内占主导地位。

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图5 测得的CM噪声与总噪声的关系

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图6 测得的DM噪声与总噪声的关系

3   调整后的演示板符合CISPR 25 Class 5标准

根据测量结果,在(30~108)MHz 范围,总辐射噪声超过了CISPR 25 Class 5 的限值。通过分离CM和DM 噪声测量,发现此范围内的高传导辐射似乎是由CM 噪声引起的。添加或增强DM EMI 滤波器或以其他方式降低输入纹波几乎没有意义,因为这些抑制技术不会降低该范围内引发问题的CM 噪声。

因此,该演示板展示了专门解决CM 噪声的办法。CM 噪声的来源之一是开关电路中的高dV/dt 信号。通过增加栅极电阻来降低dV/dt,可以降低该噪声电平。如前所述,CM 噪声通过杂散电容CSTRAY 穿过LISN。CSTRAY 越小,在LISN 中检测到的CM 噪声就越低。为了减小CSTRAY,应减少此演示板上开关节点的覆铜面积。

此外,转换器输入端添加了一个CM EMI 滤波器,以获得高CM 阻抗,从而降低进入LISN 的CM 噪声。通过实施这些办法,(30~108)MHz 范围的噪声得以充分降低,从而符合CISPR 25 Class 5 标准,如图7 所示。

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图7 总噪声得到改善

4   结论

本文介绍了一种用于测量和分离总传导辐射中的CM 噪声和DM 噪声的实用方法,并通过测试结果进行了验证。如果设计人员能够分离CM 和DM 噪声,便可实施专门针对CM 或DM 的减轻解决方案来有效抑制噪声。总之,这种方法有助于快速找到EMI 故障的根本原因,节省EMI 设计的时间。

参考文献:

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

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年7月期)



关键词: 202107 传导辐射

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