非常見問題第188期：抑制復(fù)雜的FM頻段傳導(dǎo)EMI的策略

問題：

如何抑制來自開關(guān)電源的復(fù)雜的FM頻段傳導(dǎo)輻射？

答案：

雖然EMI屏蔽和鐵氧體夾是較受歡迎的EMI解決方案，但它們價格昂貴、體積笨重，有時使用效果不理想。我們可以通過了解FM頻段EMI噪聲的來源，以及利用電路和PCB設(shè)計技術(shù)從源頭進(jìn)行抑制，以降低這些噪聲。

電源網(wǎng)絡(luò)的EMI性能在噪聲敏感型系統(tǒng)中至關(guān)重要，例如汽車電路，尤其是涉及開關(guān)模式電源(SMPS)的情況下。工程師們可能需要花費(fèi)大量時間來減少傳導(dǎo)輻射(CE)和電磁輻射騷擾(RE)。特別是，在測量CE時，F(xiàn)M頻段（76 MHz至~108 MHz）可能是最難達(dá)到要求并通過測試的區(qū)域。設(shè)計人員可能需要花費(fèi)大量時間來解決這一問題。為何FM頻段中的CE噪聲如此難以消除？

低頻（AM頻段）CE中的噪聲主要為差模(DM)噪聲。高頻（FM頻段）CE中的噪聲主要為共模(CM)噪聲。1共模噪聲電流由PCB上電壓變化的節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生。電流通過雜散電容泄漏至參考地，然后返回正負(fù)輸入電纜（參見圖1）。因為PCB周圍的雜散電容非常復(fù)雜，所以無法仿真雜散電容和預(yù)估FM頻段的傳導(dǎo)EMI。最好是在EMI室中測試電路板。

圖1 傳導(dǎo)輻射、共模噪聲電流路徑

在實驗室中，有些行之有效的方法可以有效降低FM頻段的EMI，包括改變開關(guān)頻率、開關(guān)壓擺率、開關(guān)節(jié)點(diǎn)布局、熱回路布局、電感，甚至是輸入電纜和負(fù)載的位置。每種方法的功效因電路板而異。

本文探討幾種簡單的低成本方法，可以在不使用鐵氧體夾或屏蔽的情況下降低電路板上的FM頻段傳導(dǎo)EMI。我們在經(jīng)過認(rèn)證的EMI室中，將LT3922-1汽車HUD LED驅(qū)動器裝載到電路板上，然后執(zhí)行電流探頭CE測試，以驗證結(jié)果，如圖2所示。

圖2 LT3922-1汽車HUD LED驅(qū)動器的簡化原理圖

在本次測試中，我們根據(jù)CISPR 25 EMI設(shè)置，采用電流探頭法來測量CE，如圖3所示。我們可以使用電壓探頭法或電流探頭法來測試CE，但大家普遍認(rèn)為電流探頭法標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。電流CE方法不是測量LISN的電壓輸出，而是利用高帶寬電流探頭來測量通過電源線或線束傳送的CM噪聲信號，它們分別距離DUT 50 mm和750 mm。每次掃描時采集CE的峰值和平均數(shù)據(jù)，并與公布的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較。

圖3 EMI測試室(50 mm)中的CISPR 25電流探頭傳導(dǎo)輻射(CE)設(shè)置

使用電流探頭方法時，CISPR 25 Class 5中描述的FM頻段平均CE限值低至?16 dBμA。這里，我們展示幾種在使用電流探頭法測試CE時，可以有效改善FM頻段的測試結(jié)果的方法。其中許多方法也可用于在使用電壓探頭法測試CE時改善測試結(jié)果。

除非另有說明，本次研究中進(jìn)行的所有測試均啟用SSFM功能。啟用SSFM之后，開關(guān)頻率及其諧波下的EMI尖峰都會降低。

共模扼流圈可抑制EM頻段的EMI噪聲

CM噪聲電流是在開關(guān)過程中產(chǎn)生的，通過雜散電容泄漏到參考地，然后通過同一方向的輸入電源和回路返回。通過使用CM扼流圈提高回路中的共模阻抗，可以抑制多余的CM噪聲。

圖4顯示了50 mm和750 mm平均電流探頭CE結(jié)果，對不安裝扼流圈的初始電路和將扼流圈安裝在LED驅(qū)動器電路之前的電路進(jìn)行比較。圖中也顯示了環(huán)境本底噪聲作為參考。FM頻段CE（76 MHz至~108 MHz）降低了8 dBμA以上。

表1 測試所用電感的技術(shù)規(guī)格比較

電感帶來變化

快速變化的電壓和電流作用于主電感，使其成為電磁天線，因此，電感可以成為FM頻段CE噪聲的來源。我們可以使用多種電感方法來改善EMI測試結(jié)果。例如，電感安裝的方向可以帶來改變。2屏蔽電感的輻射通常比非屏蔽電感低，有些磁芯材料對H場和E場輻射的抑制作用也比其他材料強(qiáng)。例如，鐵粉和金屬合金粉電感在頻率高于1 MHz時，E場屏蔽效果減弱。MnZn和NiZn在更高開關(guān)頻率下性能更好。2, 3帶裸露焊盤的電感性能不如焊盤未裸露的電感。將內(nèi)部線圈的長引線連接到高dV?dt（開關(guān)）節(jié)點(diǎn)會使E場輻射大幅增加。

圖4 電流探頭CE測試表明，在使用共模扼流圈時，F(xiàn)M頻段內(nèi)的輻射較低

圖5 電流探頭CE測試結(jié)果比較（電感）

圖6 電流探頭CE測試結(jié)果比較（開關(guān)頻率）

采用三個22 μH屏蔽電感進(jìn)行測試，如表1所示。在不采用CM扼流圈的相同電路中評估EMI，每個電感都按照能提供最佳性能的方向安裝。比較結(jié)果如圖5所示。在本次研究中，Coilcraft XEL電感的FM頻段噪聲抑制性能最佳，與其他3L電感相比，將FM頻段EMI降低5.1 dB。

開關(guān)頻率(fsw)越低，F(xiàn)M頻段內(nèi)的噪聲越小

降低開關(guān)頻率可以降低給定高頻下的發(fā)射能量。在圖6中，對不使用CM扼流圈的電路執(zhí)行電流探頭CE測試，并比較在200 kHz、300 kHz和400 kHz開關(guān)頻率下的測試結(jié)果。除RT外的所有組件都保持不變。測試結(jié)果顯示，200 kHz時FM頻段內(nèi)的EMI最低，與400 kHz時相比，輻射降低3.2 dB。

通過減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積來減少天線噪聲

高dV?dt開關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個噪聲源，會產(chǎn)生電容耦合，增加CE中的CM EMI噪聲。它也像天線一樣工作，向空間輻射電磁噪聲，也會影響輻射EMI。因此，盡可能減小PCB布局上的開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積可以改善EMI性能。

為了在PCB電路板上測試這一點(diǎn)，我們切除了部分銅芯，并將電感移動到更靠近IC的位置（如圖7所示），以此減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積。我們測試了切除銅芯之前和之后的EMI，測試結(jié)果如圖8所示。

結(jié)果顯示，50 mm電流探頭CE測試在105 MHz時降低了1 dB，而750 mm測試沒有明顯改善。這一結(jié)果表明，在此應(yīng)用中，銅芯面積不是影響FM頻段EMI的主要因素。盡管如此，為了實現(xiàn)低EMI的PCB布局，或在設(shè)法消除EMI期間，盡量減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積仍然是值得嘗試的。

圖7 開關(guān)節(jié)點(diǎn)切除區(qū)域

結(jié)論

電源的EMI性能主要取決于電源IC的性能，但即使是高性能IC，也只能通過選擇合適的組件和有效的PCB布局來實現(xiàn)低EMI。在本文中，我們利用基于LT3922-1汽車HUD LED驅(qū)動器構(gòu)建的電路板，探討了幾種抑制FM頻段內(nèi)傳導(dǎo)輻射(CE)的方法。

在正負(fù)輸入電纜上安裝CM扼流圈會增大共模噪聲電流回路中的阻抗。采用不同磁芯材料、磁芯結(jié)構(gòu)和線圈結(jié)構(gòu)的不同電感，其EMI性能結(jié)果也有所不同。僅通過查看技術(shù)規(guī)格很難判斷哪個電感的效果最好，但可以在EMI實驗室中進(jìn)行比較。

PCB上電感的安裝方向也很重要。降低開關(guān)頻率和減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)銅面積都有助于降低FM頻帶內(nèi)CE。如果DUT是使用控制器（外部MOSFET）的開關(guān)穩(wěn)壓器電路，則可以通過降低開關(guān)壓擺率和盡可能減小熱回路面積來進(jìn)一步降低FM頻帶EMI。

參考文獻(xiàn)

1Ling Jiang、Frank Wang、Keith Szolusha和Kurk Mathews?！皞鲗?dǎo)輻射測試中分離共模和差模輻射的實用方法?！蹦M對話，第55卷第1期，2021年1月。

2 Keith Szolusha、Gengyao Li。 “SMPS電感的安裝方向會影響輻射嗎？”emiTime，2020年8月。

3 Ranjith Bramanpalli。 “ANP047：電源管理中電感的電磁輻射行為。”Würth Elektronik，2018年3月。

圖8 電流探頭CE測試結(jié)果比較（開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積）

作者簡介

Gengyao Li是電源產(chǎn)品部應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)位于加利福尼亞州圣克拉拉市。她主要負(fù)責(zé)設(shè)計和評估DC-DC轉(zhuǎn)換器，包括升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動器。Gengyao于2017年獲得美國俄亥俄州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。

Dongwon Kwon是ADI公司電源產(chǎn)品部的設(shè)計工程師。自2012年加入凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）以來，一直負(fù)責(zé)為降壓、升壓和降壓-升壓穩(wěn)壓器和LED驅(qū)動器設(shè)計模擬和電源IC。Dongwon擁有佐治亞理工學(xué)院博士和碩士學(xué)位以及首爾大學(xué)學(xué)士學(xué)位。

Keith Szolusha是ADI公司應(yīng)用總監(jiān)，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。Keith在BBI電源產(chǎn)品部工作，重點(diǎn)關(guān)注升壓、降壓-升壓和LED驅(qū)動器產(chǎn)品，同時還管理電源產(chǎn)品部的EMI室。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院(MIT)，1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專攻技術(shù)寫作。