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，应用工程师；Frank Wang，EMI工程师；Keith Szolusha，应用总监；Kurk Mathews，高级应用经理，ADI公司
 
简介
开关稳压器的EMI分为电磁辐射和传导辐射(CE)。本文重点讨论传导辐射，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，确定传导辐射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，这从长远来看可以节省设计时间和BOM成本。
 

图1. 降压转换器中的CM噪声路径和DM噪声路径
 
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C_STRAY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50Ω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(V_CM)和DM电压(V_DM)的和与差。因此，V1和V2的平均值就是V_CM，而V1和V2之差的一半就是V_DM。
 
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V_CM，180°合成器产生V_DM。
图2所示的两个合成器ZFSC-2-1W+ (0°)和ZFSCJ-2-1+ (180°)来自Mini-Circuits，用于测量1 MHz至108 MHz的V_CM和V_DM。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°)。


图2. 0°和180°合成器
 

图3. 用于测量(a) V_CM和(b) V_DM的实验装置
 

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V_{S_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V_{S_CM}和V_{S_DM}必须在测试接收器中处理，以产生V_CM和V_DM。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V_CM = 0.5 V_{S_CM}且V_DM = 0.5 V_{S_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。
 
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，V_IN = 12 V，V_OUT1 = 3.3 V，I_OUT1 = 10 A，V_OUT2 = 5 V，I_OUT2 = 10 A。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。


图5. 测得的CM噪声与总噪声的关系
 

图6.测得的DM噪声与总噪声的关系

 
调整后的演示板符合CISPR 25 Class 5标准
根据测量结果，在30 MHz至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C_STRAY穿过LISN。C_STRAY越小，在LISN中检测到的CM噪声就越低。为了减小C_STRAY，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 MHz至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。


图7. 总噪声得到改善
 
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
“AN-10-006：了解功率分路器”。Mini-Circuits，2015年4月。
 
作者简介
Ling Jiang于2018年毕业于田纳西州诺克斯维尔大学，获电气工程博士学位。毕业后，她加入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。联系方式：ling.jiang@analog.com。
Frank Wang获得德克萨斯大学达拉斯分校电气工程硕士学位，在加入ADI公司之前，曾在一家独立认证的合规实验室工作。他曾担任EMC/EMI测试工程师和项目负责人，拥有四年相关工作经验。Frank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。联系方式：frank.wang@analog.com。
Keith Szolusha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。他毕业于马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院(MIT)，1997年获电气工程学士学位，1998年获电气工程硕士学位，专攻技术写作。联系方式：keith.szolusha@analog.com。
Kurk Mathews是ADI公司电源产品部高级应用经理，工作地点位于加利福尼亚。Kurk于1994年加入凌力尔特（现为ADI公司一部分）并担任应用工程师，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。Kurk毕业于亚利桑那大学，获得电气工程学士学位。联系方式：kurk.mathews@analog.com。