棘手的FM頻段傳導(dǎo)EMI的緩解策略

Gengyao Li, Dongwon Kwon, and Keith Szolusha

如何抑制開關(guān)電源的棘手傳導(dǎo)FM頻段發(fā)射？

雖然EMI屏蔽和鐵氧體夾通常是廣受歡迎的EMI解決方案，但它們可能昂貴、笨重，有時(shí)甚至不夠。通過(guò)了解FM頻段EMI噪聲的來(lái)源并采用電路和PCB設(shè)計(jì)技術(shù)在源頭上抑制它，可以降低EMI噪聲。

電源網(wǎng)絡(luò)的EMI性能在汽車電路等噪聲敏感系統(tǒng)中至關(guān)重要，尤其是在涉及開關(guān)模式電源（SMPS）時(shí)。工程師可以投入大量時(shí)間來(lái)減少傳導(dǎo)發(fā)射 （CE） 和輻射發(fā)射 （RE）。特別是在測(cè)量CE時(shí)，F(xiàn)M頻段（76 MHz至~108 MHz）可能是最難獲得合格結(jié)果的區(qū)域。設(shè)計(jì)人員可能需要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)執(zhí)行此操作。為什么FM頻段的CE噪聲如此難以緩解？

低頻（AM頻段）CE主要由差模（DM）噪聲主導(dǎo)。高頻（FM頻段）CE主要由共模（CM）噪聲主導(dǎo)。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(guò)雜散電容泄漏到參考地，然后泄漏回輸入正負(fù)電纜（見圖1）。由于PCB周圍雜散電容的復(fù)雜性，仿真雜散電容和估計(jì)FM頻段傳導(dǎo)EMI是不切實(shí)際的。最好在EMI室中測(cè)試電路板。

圖1.傳導(dǎo)發(fā)射、共模噪聲電流路徑。

實(shí)驗(yàn)室中有一些行之有效的方法可以有效降低FM頻段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、電感器，甚至輸入電纜和負(fù)載的位置。每種方法的功效可能因董事會(huì)而異。

本文探討了一些簡(jiǎn)單、低成本的方法，以降低電路板上的FM頻段傳導(dǎo)EMI，而無(wú)需使用鐵氧體夾或屏蔽。通過(guò)在經(jīng)過(guò)認(rèn)證的EMI暗室中，在汽車HUD LED驅(qū)動(dòng)器中采用LT3922-1的電路板上執(zhí)行電流探頭CE測(cè)試來(lái)驗(yàn)證結(jié)果，如圖2所示。

圖2.LT3922-1 汽車 HUD LED 驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化原理圖。

在該測(cè)試中，CE在CISPR 25 EMI設(shè)置中使用電流探針?lè)椒y(cè)量，如圖3所示。CE可以通過(guò)電壓探針?lè)椒ɑ螂娏魈结樂(lè)椒ㄟM(jìn)行測(cè)試，但電流探針?lè)椒?biāo)準(zhǔn)通常被認(rèn)為是兩者中更嚴(yán)格的。電流CE方法不是測(cè)量LISN的電壓輸出，而是利用高帶寬電流探頭來(lái)測(cè)量通過(guò)電源線或線束傳播的CM噪聲信號(hào)，距離DUT的距離為50 mm和750 mm。每次掃描時(shí)都會(huì)收集峰值和平均值CE數(shù)據(jù)，并與公布的標(biāo)準(zhǔn)限值進(jìn)行比較。

圖3.CISPR 25 電流探頭在 EMI 測(cè)試室 （50 mm） 中設(shè)置傳導(dǎo)發(fā)射 （CE）。

對(duì)于電流探頭方法，CISPR 25 Class 5中描述的FM頻段平均CE限值低至?16 dBμA。在這里，我們提出了幾種有效的方法來(lái)改善CE電流探針測(cè)試下的FM頻段結(jié)果。其中許多方法也可用于改善電壓法CE測(cè)試的結(jié)果。

除非另有說(shuō)明，否則本研究中的所有測(cè)試都啟用了SSFM。使用SSFM時(shí)，開關(guān)頻率處的EMI尖峰及其諧波會(huì)降低。

共模扼流圈抑制 FM 頻段 EMI 噪聲

開關(guān)期間產(chǎn)生的CM噪聲電流通過(guò)雜散電容泄漏到基準(zhǔn)地，并通過(guò)輸入電源和返回路徑沿同一方向返回。通過(guò)使用CM扼流圈增加環(huán)路中的共模阻抗，可以抑制不需要的CM噪聲。

圖4顯示了50 mm和750 mm平均電流探頭CE結(jié)果，比較了沒(méi)有扼流圈的原始電路和安裝在LED驅(qū)動(dòng)器電路之前的扼流圈。還顯示了環(huán)境本底噪聲以供參考。FM頻段CE（76 MHz至~108 MHz）降低了8 dBμA以上。

電感器與眾不同

快速變化的電壓和電流施加到主電感器上，使其成為電磁天線。因此，電感器可能是FM頻段CE噪聲的來(lái)源。EMI測(cè)試結(jié)果可以通過(guò)多種電感相關(guān)方法得到改善。例如，電感器的裝配方向可能會(huì)有所不同。2屏蔽電感器的輻射通常低于非屏蔽電感，并且某些磁芯材料比其他磁芯材料更能限制H場(chǎng)和E場(chǎng)輻射。例如，鐵粉和金屬合金粉末電感器在頻率高于1 MHz時(shí)具有較低的電場(chǎng)屏蔽效果，MnZn和NiZn在較高的開關(guān)頻率下具有更好的性能。2, 3帶裸焊盤的電感器的性能比隱藏焊盤電感差。將內(nèi)線圈繞組的長(zhǎng)引線連接到高dV/dt（開關(guān)）節(jié)點(diǎn)會(huì)顯著增加電場(chǎng)輻射。

圖4.電流探頭CE表明，當(dāng)使用共模扼流圈時(shí)，F(xiàn)M頻段的發(fā)射較低。

圖5.電流探頭CE電感器比較。

圖6.電流探頭CE開關(guān)頻率比較。

測(cè)試了三個(gè)22 μH屏蔽電感，如表1所示。EMI在無(wú)CM扼流圈的同一電路中進(jìn)行評(píng)估，并且每個(gè)電感器都以最佳性能方向組裝。結(jié)果在圖5中進(jìn)行了比較。在本研究中，線藝XEL電感器具有最佳的FM頻段性能，與5L電感器相比，F(xiàn)M頻段EMI降低了1.3 dB。

較低的開關(guān)頻率 （f西 南部） 產(chǎn)生更安靜的 FM 頻段

降低開關(guān)頻率可降低給定高頻下的發(fā)射能量。在圖6中，電流探頭CE在沒(méi)有CM扼流圈的情況下進(jìn)行測(cè)試，并在200 kHz、300 kHz和400 kHz開關(guān)頻率下進(jìn)行比較。除RT外的所有組件都保持不變。200 kHz 測(cè)試顯示 FM 頻段的 EMI 最低，發(fā)射比 3 kHz 情況低 2.400 dB。

通過(guò)減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積來(lái)縮小噪聲天線

高dV/dt開關(guān)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)噪聲源，它會(huì)產(chǎn)生容性耦合并增加CE中的CM EMI噪聲。它還可以用作天線，將電磁噪聲輻射到空間中，也會(huì)影響輻射EMI。因此，PCB布局上的最小開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積可改善EMI性能。

為了在PCB板上對(duì)此進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)切斷一些銅并將電感器移近IC來(lái)減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積，如圖7所示。在去除銅纜之前和之后測(cè)試EMI，結(jié)果如圖8所示。

50 mm電流探頭CE測(cè)試在1 MHz時(shí)降低105 dB，而750 mm測(cè)試沒(méi)有明顯改善。該結(jié)果表明，銅面積不是該應(yīng)用中FM頻段EMI的主要影響因素。盡管如此，還是值得嘗試盡可能減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積，以實(shí)現(xiàn)低EMI PCB布局，或在EMI緩解期間。

圖7.切換節(jié)點(diǎn)截止區(qū)域。

圖8.電流探頭CE比較開關(guān)節(jié)點(diǎn)面積。

結(jié)論

電源的EMI性能首先取決于電源IC的性能，但即使是高性能IC也只能通過(guò)正確選擇組件和有效的PCB布局來(lái)實(shí)現(xiàn)低EMI。在本文中，我們探討了幾種利用圍繞LT3922-1汽車HUD LED驅(qū)動(dòng)器構(gòu)建的電路板來(lái)降低FM頻段傳導(dǎo)輻射（CE）的方法。

在正輸入線和負(fù)輸入線上施加CM扼流圈會(huì)增加共模噪聲電流環(huán)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)的不同電感器會(huì)產(chǎn)生一系列 EMI 性能結(jié)果。僅通過(guò)查看規(guī)格很難估計(jì)哪種電感最好，但可以在EMI實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行比較。

PCB上電感器的組裝方向也很重要。降低開關(guān)頻率和減少開關(guān)節(jié)點(diǎn)銅面積都有助于降低FM頻段CE。如果 DUT 是使用控制器部分（外部 MOSFET）的開關(guān)穩(wěn)壓器電路，則可以通過(guò)降低開關(guān)壓擺率和最小化熱回路區(qū)域來(lái)進(jìn)一步降低 FM 頻段 EMI。

審核編輯：郭婷