小功率便攜式音頻產(chǎn)品的輻射發(fā)射超標(biāo)對策

分享到：標(biāo)簽：LM3478 TI BQ24133 Snubber電路 輻射發(fā)射超標(biāo) 德州儀器 Boost（Buck）芯片
　　摘要
　　小功率便攜式電子產(chǎn)品目前常用鋰電池和 Boost（Buck）芯片給 MCU、Audio 以及顯示屏等器件供電。此類產(chǎn)品通常使用適配器供電，設(shè)計(jì)要求充電部分工作時(shí)，必須通過測試并符合 EMC標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，為了提高系統(tǒng)工作效率，鋰電池充電芯片都是基于開關(guān)工作方式，類似一個(gè)開關(guān)電源，另外，可能其他的開關(guān)電源芯片在同時(shí)工作，器件均為開關(guān)工作方式，提高了工作效率，同時(shí)引入了輻射問題，這也是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的常見問題。本文基于一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例（用BQ24133 單電池充電電路和LM3478 升壓電路），對設(shè)計(jì)過程中曾經(jīng)遇到的輻射難題進(jìn)行了詳盡的分析。確定騷擾源，找出耦合路徑，最終給出解決問題的方法，以供大家作參考。
　　1. 便攜式音頻產(chǎn)品電源系統(tǒng)介紹
　　1.1 背景
　　實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中，便攜式產(chǎn)品的 EMI 測試是用適配器給產(chǎn)品充電，有其他外接設(shè)備連接也需要在測試時(shí)接上。下面以一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)為例，說明這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的 EMI 設(shè)計(jì)要注意的問題，以及遇到輻射發(fā)射超標(biāo)，如何來分析問題產(chǎn)生的原因。并找出解決問題的辦法。
　　1.2 音頻產(chǎn)品供電回路
　　如下圖 1 是一個(gè) Audio 產(chǎn)品的電源部分的原理圖，這個(gè)產(chǎn)品有一個(gè) charger 芯片 BQ24133，在這個(gè)應(yīng)用中設(shè)置最大充電電流 2A。有一個(gè) Boost 芯片 LM3478，把電池電壓升壓到 10V 給 Audio 芯片供電，滿載電流 1A，另外一個(gè) Boost 芯片 LM3478，把電池電壓升到 5V，給iphone或者ipad充電，最大電流2A。適配器的直流輸出線規(guī)格是 1.5 米，手機(jī)充電的電源線約 0.5 米，整個(gè) PCB 板面積大概12mm×8mm，設(shè)計(jì)為兩層板。
　　
　　圖 1：Audio 供電回路圖
　　2. EMI 問題分析
　　2.1 EMI 問題的產(chǎn)生
　　這類便攜式產(chǎn)品要求通過標(biāo)準(zhǔn) EN55022，Class B。這個(gè)產(chǎn)品的初版樣機(jī)在輻射發(fā)射測試時(shí)（未接手機(jī)），輻射發(fā)射 30M 到 300M 頻段嚴(yán)重超標(biāo)，在 200MHZ 左右，超標(biāo) 20DB 以上。
　　2.2 分析輻射發(fā)射超標(biāo)的原因：
　　首先，先分析輻射超標(biāo)產(chǎn)生的原因，我們知道 EMC 三要素，騷擾源，耦合路徑和敏感設(shè)備。這個(gè)產(chǎn)品中開關(guān)方式工作的器件無疑是騷擾源，也就是 BQ24133（開關(guān)頻率1.6MHZ）和兩個(gè) LM3478（開關(guān)頻率400KHZ）。再看耦合路徑，30M 到 300M 頻段對應(yīng)的波長是一米到十米，如果要發(fā)射一定波長的電磁波，需要一根發(fā)射天線，成為天線的必要條件是長度至少要大于波長的二十分之一，當(dāng)天線是電磁波半波長的整數(shù)倍時(shí)，發(fā)射功率最大。滿足以上條件能成為天線的導(dǎo)線就是幾根外接線，最有可能的是適配器的直流電源線和地線。分析 layout 設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，只用了一個(gè)地，在整個(gè) PCB 的兩層均大面積鋪地，并且與適配器的地線連接在一起，加上手機(jī)的充電導(dǎo)線，構(gòu)成一根超過兩米長的地線。另外BQ24133 充電電路和兩個(gè) LM3478 的升壓電路底下也是大面積的鋪地，造成高頻干擾直接耦合到地平面，通過長的地線發(fā)射出來。
　　3. 解決問題的辦法：
　　針對以上分析，做了整改。由于是便攜式音頻設(shè)備，沒有 PE 線，無法使用 Y 電容，客戶也不希望使用共模電感增加成本，所以主要優(yōu)化 layout。采取了以下措施：
　　3.1 Layout 注意事項(xiàng)：
　　1）將每個(gè)電源回路梳理，將模擬地和數(shù)字地分開，每個(gè)單元電路不要相互交叉。BQ24133 的數(shù)字地和模擬地分開走線，在芯片下通過一個(gè) 0 歐姆電阻的單點(diǎn)接。另外，BQ24133 的功率地最好跟整個(gè)產(chǎn)品的地適當(dāng)分割，單點(diǎn)連接。
　　2）減小諧波回路面積，對 LM3478，如圖，MOS 管開通時(shí)，Cin，L 和 MOS 構(gòu)成一個(gè)回路對電感充電，請看圖 2（a）的 Cycle1。MOS 管關(guān)斷時(shí)，Cin，L，D，Cout構(gòu)成另一個(gè)回路對電感放電，請看圖 2（b）中的 Cycle2。對于二極管 D，交替工作在正向?qū)ê头聪蚪刂沟臓顟B(tài)，因此，有很高的反向恢復(fù)尖峰電壓，需要在二極管兩端加Snubber電路來抑制這個(gè)尖峰電壓，以避免產(chǎn)生過大的共模噪聲。這兩個(gè)回路的工作頻率是 MOS 的開關(guān)頻率，諧波分量大，布板時(shí)要盡量減小諧波回路的面積。要把這兩個(gè)功率回路的器件靠近放置，走大銅皮寬走線，減小開關(guān)頻率諧波的回路阻抗。