传导辐射测试中分离共模和差模辐射的实用方法

分享到:

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。
 
1
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(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。
 
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°)。
 
2
图2. 0°和180°合成器
 
3
图3. 用于测量(a) VCM和(b) VDM的实验装置
 
4
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 = 0.5 VS_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。
 
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 = 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。
 
5
图5. 测得的CM噪声与总噪声的关系
 
6
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 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。
 
7
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。
继续阅读
传导辐射测试中分离共模和差模辐射的实用方法

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。

为什么射频(RF)如此重要?

今天我们接着来聊一个老生常谈的话题——什么是射频?为什么离不开射频?

高速连接器仿真(S参数/串扰、TDR、眼图、EMI)

CST微博工作室时域求解器特别适用于高速连接器的快速仿真,一次仿真得到0-25GHz全频带上的S参数/串扰、TDR、眼图和电磁辐射EMI的结果。

HDMI辐射超标?谈谈差分线传输线长度差

造成 HDMI 辐射超标的原因有多种可能。

5G毫米波终端电磁辐射测量

在移动终端被广泛使用的今天,公众对移动终端引起的电磁辐射健康效应一直有着极高的关注。虽然WHO明确表示迄今为止尚不能证实移动电话的使用会对人体健康造成任何不良后果,但为了避免潜在风险,相关组织对电磁辐射的暴露限值做出了严格的规定。目前国际上大体采用两种方案,一类是以国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)的时变电磁场导则作为电磁辐射安全防护的标准,另一类则是采用ANSI/IEEE C95.1为标准。中国的无线通信终端设备电磁辐射局部暴露限值则属于ICNIRP限值体系。