基于LTC7818控制开关稳压器的CM辐射和DM辐射分离试验
作者：ling jiang， frank wang， keith szolusha， 和 kurk mathews
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。
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°)。
图2.0°和180°合成器
图3.用于测量(a) vcm和(b) vdm的实验装置
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vs_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。
图5.测得的cm噪声与总噪声的关系
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。
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。
参考电路
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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
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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°)。
图2.0°和180°合成器
图3.用于测量(a) vcm和(b) vdm的实验装置
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vs_dm = v1 – v2。
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