非常見(jiàn)問(wèn)題第188期：抑制復雜的FM頻段傳導EMI的策略

問(wèn)題：

如何抑制來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的復雜的FM頻段傳導輻射？

答案：

雖然EMI屏蔽和鐵氧體夾是較受歡迎的EMI解決方案，但它們價(jià)格昂貴、體積笨重，有時(shí)使用效果不理想。我們可以通過(guò)了解FM頻段EMI噪聲的來(lái)源，以及利用電路和PCB設計技術(shù)從源頭進(jìn)行抑制，以降低這些噪聲。

電源網(wǎng)絡(luò )的EMI性能在噪聲敏感型系統中至關(guān)重要，例如汽車(chē)電路，尤其是涉及開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)的情況下。工程師們可能需要花費大量時(shí)間來(lái)減少傳導輻射(CE)和電磁輻射騷擾(RE)。特別是，在測量CE時(shí)，FM頻段（76 MHz至~108 MHz）可能是最難達到要求并通過(guò)測試的區域。設計人員可能需要花費大量時(shí)間來(lái)解決這一問(wèn)題。為何FM頻段中的CE噪聲如此難以消除？

低頻（AM頻段）CE中的噪聲主要為差模(DM)噪聲。高頻（FM頻段）CE中的噪聲主要為共模(CM)噪聲。1共模噪聲電流由PCB上電壓變化的節點(diǎn)產(chǎn)生。電流通過(guò)雜散電容泄漏至參考地，然后返回正負輸入電纜（參見(jiàn)圖1）。因為PCB周?chē)碾s散電容非常復雜，所以無(wú)法仿真雜散電容和預估FM頻段的傳導EMI。最好是在EMI室中測試電路板。

圖1 傳導輻射、共模噪聲電流路徑

在實(shí)驗室中，有些行之有效的方法可以有效降低FM頻段的EMI，包括改變開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)壓擺率、開(kāi)關(guān)節點(diǎn)布局、熱回路布局、電感，甚至是輸入電纜和負載的位置。每種方法的功效因電路板而異。

本文探討幾種簡(jiǎn)單的低成本方法，可以在不使用鐵氧體夾或屏蔽的情況下降低電路板上的FM頻段傳導EMI。我們在經(jīng)過(guò)認證的EMI室中，將LT3922-1汽車(chē)HUD LED驅動(dòng)器裝載到電路板上，然后執行電流探頭CE測試，以驗證結果，如圖2所示。

圖2 LT3922-1汽車(chē)HUD LED驅動(dòng)器的簡(jiǎn)化原理圖

在本次測試中，我們根據CISPR 25 EMI設置，采用電流探頭法來(lái)測量CE，如圖3所示。我們可以使用電壓探頭法或電流探頭法來(lái)測試CE，但大家普遍認為電流探頭法標準更加嚴格。電流CE方法不是測量LISN的電壓輸出，而是利用高帶寬電流探頭來(lái)測量通過(guò)電源線(xiàn)或線(xiàn)束傳送的CM噪聲信號，它們分別距離DUT 50 mm和750 mm。每次掃描時(shí)采集CE的峰值和平均數據，并與公布的標準限值進(jìn)行比較。

圖3 EMI測試室(50 mm)中的CISPR 25電流探頭傳導輻射(CE)設置

使用電流探頭方法時(shí)，CISPR 25 Class 5中描述的FM頻段平均CE限值低至?16 dBμA。這里，我們展示幾種在使用電流探頭法測試CE時(shí)，可以有效改善FM頻段的測試結果的方法。其中許多方法也可用于在使用電壓探頭法測試CE時(shí)改善測試結果。

除非另有說(shuō)明，本次研究中進(jìn)行的所有測試均啟用SSFM功能。啟用SSFM之后，開(kāi)關(guān)頻率及其諧波下的EMI尖峰都會(huì )降低。

共模扼流圈可抑制EM頻段的EMI噪聲

CM噪聲電流是在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的，通過(guò)雜散電容泄漏到參考地，然后通過(guò)同一方向的輸入電源和回路返回。通過(guò)使用CM扼流圈提高回路中的共模阻抗，可以抑制多余的CM噪聲。

圖4顯示了50 mm和750 mm平均電流探頭CE結果，對不安裝扼流圈的初始電路和將扼流圈安裝在LED驅動(dòng)器電路之前的電路進(jìn)行比較。圖中也顯示了環(huán)境本底噪聲作為參考。FM頻段CE（76 MHz至~108 MHz）降低了8 dBμA以上。

表1 測試所用電感的技術(shù)規格比較

電感帶來(lái)變化

快速變化的電壓和電流作用于主電感，使其成為電磁天線(xiàn)，因此，電感可以成為FM頻段CE噪聲的來(lái)源。我們可以使用多種電感方法來(lái)改善EMI測試結果。例如，電感安裝的方向可以帶來(lái)改變。2屏蔽電感的輻射通常比非屏蔽電感低，有些磁芯材料對H場(chǎng)和E場(chǎng)輻射的抑制作用也比其他材料強。例如，鐵粉和金屬合金粉電感在頻率高于1 MHz時(shí)，E場(chǎng)屏蔽效果減弱。MnZn和NiZn在更高開(kāi)關(guān)頻率下性能更好。2, 3帶裸露焊盤(pán)的電感性能不如焊盤(pán)未裸露的電感。將內部線(xiàn)圈的長(cháng)引線(xiàn)連接到高dV?dt（開(kāi)關(guān)）節點(diǎn)會(huì )使E場(chǎng)輻射大幅增加。

圖4 電流探頭CE測試表明，在使用共模扼流圈時(shí)，FM頻段內的輻射較低

圖5 電流探頭CE測試結果比較（電感）

圖6 電流探頭CE測試結果比較（開(kāi)關(guān)頻率）

采用三個(gè)22 μH屏蔽電感進(jìn)行測試，如表1所示。在不采用CM扼流圈的相同電路中評估EMI，每個(gè)電感都按照能提供最佳性能的方向安裝。比較結果如圖5所示。在本次研究中，Coilcraft XEL電感的FM頻段噪聲抑制性能最佳，與其他3L電感相比，將FM頻段EMI降低5.1 dB。

開(kāi)關(guān)頻率(fsw)越低，FM頻段內的噪聲越小

降低開(kāi)關(guān)頻率可以降低給定高頻下的發(fā)射能量。在圖6中，對不使用CM扼流圈的電路執行電流探頭CE測試，并比較在200 kHz、300 kHz和400 kHz開(kāi)關(guān)頻率下的測試結果。除RT外的所有組件都保持不變。測試結果顯示，200 kHz時(shí)FM頻段內的EMI最低，與400 kHz時(shí)相比，輻射降低3.2 dB。

通過(guò)減小開(kāi)關(guān)節點(diǎn)面積來(lái)減少天線(xiàn)噪聲

高dV?dt開(kāi)關(guān)節點(diǎn)是一個(gè)噪聲源，會(huì )產(chǎn)生電容耦合，增加CE中的CM EMI噪聲。它也像天線(xiàn)一樣工作，向空間輻射電磁噪聲，也會(huì )影響輻射EMI。因此，盡可能減小PCB布局上的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)面積可以改善EMI性能。

為了在PCB電路板上測試這一點(diǎn)，我們切除了部分銅芯，并將電感移動(dòng)到更靠近IC的位置（如圖7所示），以此減小開(kāi)關(guān)節點(diǎn)面積。我們測試了切除銅芯之前和之后的EMI，測試結果如圖8所示。

結果顯示，50 mm電流探頭CE測試在105 MHz時(shí)降低了1 dB，而750 mm測試沒(méi)有明顯改善。這一結果表明，在此應用中，銅芯面積不是影響FM頻段EMI的主要因素。盡管如此，為了實(shí)現低EMI的PCB布局，或在設法消除EMI期間，盡量減小開(kāi)關(guān)節點(diǎn)面積仍然是值得嘗試的。

圖7 開(kāi)關(guān)節點(diǎn)切除區域

結論

電源的EMI性能主要取決于電源IC的性能，但即使是高性能IC，也只能通過(guò)選擇合適的組件和有效的PCB布局來(lái)實(shí)現低EMI。在本文中，我們利用基于LT3922-1汽車(chē)HUD LED驅動(dòng)器構建的電路板，探討了幾種抑制FM頻段內傳導輻射(CE)的方法。

在正負輸入電纜上安裝CM扼流圈會(huì )增大共模噪聲電流回路中的阻抗。采用不同磁芯材料、磁芯結構和線(xiàn)圈結構的不同電感，其EMI性能結果也有所不同。僅通過(guò)查看技術(shù)規格很難判斷哪個(gè)電感的效果最好，但可以在EMI實(shí)驗室中進(jìn)行比較。

PCB上電感的安裝方向也很重要。降低開(kāi)關(guān)頻率和減小開(kāi)關(guān)節點(diǎn)銅面積都有助于降低FM頻帶內CE。如果DUT是使用控制器（外部MOSFET）的開(kāi)關(guān)穩壓器電路，則可以通過(guò)降低開(kāi)關(guān)壓擺率和盡可能減小熱回路面積來(lái)進(jìn)一步降低FM頻帶EMI。

參考文獻

1Ling Jiang、Frank Wang、Keith Szolusha和Kurk Mathews?！皞鲗л椛錅y試中分離共模和差模輻射的實(shí)用方法?！蹦M對話(huà)，第55卷第1期，2021年1月。

2 Keith Szolusha、Gengyao Li。 “SMPS電感的安裝方向會(huì )影響輻射嗎？”emiTime，2020年8月。

3 Ranjith Bramanpalli。 “ANP047：電源管理中電感的電磁輻射行為?！盬ürth Elektronik，2018年3月。

圖8 電流探頭CE測試結果比較（開(kāi)關(guān)節點(diǎn)面積）

作者簡(jiǎn)介

Gengyao Li是電源產(chǎn)品部應用工程師，工作地點(diǎn)位于加利福尼亞州圣克拉拉市。她主要負責設計和評估DC-DC轉換器，包括升壓、降壓-升壓和LED驅動(dòng)器。Gengyao于2017年獲得美國俄亥俄州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。

Dongwon Kwon是ADI公司電源產(chǎn)品部的設計工程師。自2012年加入凌力爾特（現為ADI公司的一部分）以來(lái)，一直負責為降壓、升壓和降壓-升壓穩壓器和LED驅動(dòng)器設計模擬和電源IC。Dongwon擁有佐治亞理工學(xué)院博士和碩士學(xué)位以及首爾大學(xué)學(xué)士學(xué)位。

Keith Szolusha是ADI公司應用總監，工作地點(diǎn)位于美國加利福尼亞州圣克拉拉。Keith在BBI電源產(chǎn)品部工作，重點(diǎn)關(guān)注升壓、降壓-升壓和LED驅動(dòng)器產(chǎn)品，同時(shí)還管理電源產(chǎn)品部的EMI室。他畢業(yè)于馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院(MIT)，1997年獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998年獲電氣工程碩士學(xué)位，專(zhuān)攻技術(shù)寫(xiě)作。