終于搞明白差模噪聲與共模噪聲

開關穩(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成本。

本文介紹一種將CM輻射和DM輻射從LTC7818控制的開關穩(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，電源設計人員便可有效應用EMI抑制技術，這從長遠來看可以節(jié)省設計時間和BOM成本。

圖1.降壓轉換器中的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）之間產生。用于CE測量的LISN位于電源和降壓轉換器之間。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(V CM )和DM電壓(V DM )的和與差。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 。

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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生輸入信號的矢量和，而180°合成器產生輸入信號的矢量差。因此，0°合成器可用于產生V CM ，180°合成器產生 V DM 。

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V CM 和V DM 。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°)。

圖2.0°和180°合成器

圖3.用于測量(a) V CM 和(b) V DM 的實驗裝置

圖4.用于測量CM噪聲和DM噪聲的測試設置

測試設置如圖3所示。功率合成器已添加到標準CE測試設置中。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V S_CM = V1 + V2；180°合成器的輸出電壓為V S_DM = V1 – V2。

合成器的輸出信號V S_CM 和V S_DM 必須在測試接收器中處理，以產生V CM 和V DM 。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V CM = 0.5 V S_CM 且V DM = 0.5 V S_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。

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CM噪聲和DM噪聲測量的實驗驗證

使用一個裝有雙降壓轉換器的標準演示板來驗證此方法。演示板的開關頻率為2.2 MHz，V IN = 12 V，V OUT1 = 3.3 V，I OUT1 = 10 A，V OUT2 = 5 V，I OUT2 = 10 A。圖4顯示了EMI室中的測試設置。

圖5和圖6顯示了測試結果。在圖5中，較高EMI曲線表示使用標準CISPR 25設置測得的總電壓法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。這些測試結果符合理論分析，表明DM噪聲在較低頻率范圍內占主導地位，而CM噪聲在較高頻率范圍內占主導地位。

圖5.測得的CM噪聲與總噪聲的關系

圖6.測得的DM噪聲與總噪聲的關系

根據(jù)測量結果，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，因為這些抑制技術不會降低該范圍內引發(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C STRAY 穿過LISN。C STRAY 越小，在LISN中檢測到的CM噪聲就越低。為了減小C STRAY ，應減少此演示板上開關節(jié)點的覆銅面積。此外，轉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

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結論

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，并通過測試結果進行了驗證。 如果設計人員能夠分離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。 總之，這種方法有助于快速找到EMI故障的根本原因，節(jié)省EMI設計的時間。