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          非常見問題第188期:抑制復(fù)雜的FM頻段傳導(dǎo)EMI的策略

          作者:ADI公司 Gengyao Li,應(yīng)用工程師 | Dongwon Kwon,設(shè)計工程師 | Keith Szolusha,應(yīng)用總監(jiān) 時間:2021-07-26 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

           

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202107/427123.htm

          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?

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          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)可能是最難達到要求并通過測試的區(qū)域。設(shè)計人員可能需要花費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)點產(chǎn)生。電流通過雜散電容泄漏至參考地,然后返回正負輸入電纜(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。

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          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)點布局、熱回路布局、電感,甚至是輸入電纜和負載的位置。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。

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          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,但大家普遍認為電流探頭法標準更加嚴格。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),并與公布的標準限值進行比較。

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          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

          產(chǎn)品型號

          3L   UPIMFS0603-220M

          Würth   74437346220

          Coilcraft XEL5050-223

          磁屏蔽

          焊盤裸露

          裸露

          裸露

          未裸露

          磁芯材料

          金屬粉末

          鐵粉

          復(fù)合材料

          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。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)點會使E場輻射大幅增加。

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          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

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          圖5 電流探頭CE測試結(jié)果比較(電感)

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          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)點面積來減少天線噪聲

          高dV?dt開關(guān)節(jié)點是一個噪聲源,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)點面積可以改善EMI性能。

          為了在PCB電路板上測試這一點,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)點面積仍然是值得嘗試的。

          圖7 - 抑制復(fù)雜的FM頻段傳導(dǎo)EMI的策略.jpg

          圖7 開關(guān)節(jié)點切除區(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一步降低FM頻帶EMI。

          參考文獻

          1Ling Jiang、Frank Wang、Keith Szolusha和Kurk Mathews。“傳導(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?!盬ürth Elektronik,2018年3月。

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

          作者簡介

          Gengyao Li是電源產(chǎn)品部應(yīng)用工程師,工作地點位于加利福尼亞州圣克拉拉市。她主要負責(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。



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