傳導輻射測試中分離共模和差模輻射的實用方法

作者簡介：Ling Jiang，電氣工程博士。在ADI公司電源產品部，工作地點位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。Ling是一名應用工程師，負責為汽車、數據中心、工業和其他應用的控制器和μModule器件提供支持。E-mail：ling.jiang@analog.com。

Frank Wang，電氣工程碩士。任ADI公司EMI工程師，在標準測試、時間表安排、工程調試、測試儀器校準和煙室維護方面擁有豐富的經驗。E-mail：frank.wang@analog.com。

Keith Szolusha，碩士，是ADI公司應用總監，工作地點位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。Keith在BBI電源產品部工作，重點關注升壓、降壓-升壓和LED驅動器產品，同時還管理電源產品部的EMI室。E-mail：keith.szolusha@analog.com。

Kurk Mathews是ADI公司電源產品部高級應用經理，工作地點位于美國加利福尼亞。Kurk于1994年加入凌力爾特（現為ADI公司一部分）擔任應用工程師，為隔離轉換器和高功率產品提供支持。其所在部門支持電源應用和新型控制器、單芯片轉換器、柵極驅動器的開發。他喜歡使用各種新舊測試設備進行模擬電路設計和故障排除。E-mail：kurk.mathews@analog.com。

0   引言

開關穩壓器的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省花在抑制噪聲上的時間和金錢。本文介紹一種將CM 輻射和DM 輻射從LTC7818 控制的開關穩壓器中分離出來的實用方法。知道CM 噪聲和DM 噪聲在CE 頻譜中出現的位置，電源設計人員便可有效應用EMI 抑制技術，從長遠來看可以節省設計時間和BOM 成本。

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50 Ω 電阻上測得的。根據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（VCM）和DM 電壓（VDM）的和與差。因此，V1 和V2 的平均值就是VCM，而V1 和V2 之差的一半就是VDM。

1   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^[1]。因此， 0° 合成器可用于產生VCM， 180° 合成器產生VDM。

圖2 所示的2 個合成器ZFSC-2-1W+（ 0° ）和ZFSCJ-2-1+（ 180° ）來自Mini-Circuits，用于測量（1~108）MHz 的VCM 和VDM。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VS_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VS_CM 和VS_DM 必須在測試接收器中處理，以產生VCM 和VDM。首先，功率合成器已指定接收器中補償的插入損耗。其次，由于VCM = 0.5VS_CM 且VDM = 0.5 VS_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。

2   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 = 10A。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

3   調整后的演示板符合CISPR 25 Class 5標準

根據測量結果，在（30~108）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，發現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CSTRAY 穿過LISN。CSTRAY 越小，在LISN 中檢測到的CM 噪聲就越低。為了減小CSTRAY，應減少此演示板上開關節點的覆銅面積。

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，（30~108）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

4   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，節省EMI 設計的時間。

參考文獻：

[1] AN-10-006:了解功率分路器[Z].Mini-Circuits,2015.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期）