一种在传导辐射测试中分离共模和差模辐射的实用方法

作者：Ling Jiang, Frank Wang, Keith Szolusha, and Kurk Mathews

来自开关稳压器的EMI被分解为辐射和传导发射（CE）。本文重点介绍传导发射，其可进一步分为两类：共模（CM）噪声和差模（DM）噪声。为什么区分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，因此确定传导发射源可以节省抑制它的时间和金钱。本文介绍了一种实用的方法，用于将 CM 辐射和 DM 辐射与 LTC7818 受控开关稳压器的总传导辐射分开。了解CM噪声和DM噪声在CE频谱中出现的位置，使电源设计人员能够有效地应用EMI抑制技术，从而从长远来看节省设计时间和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噪声通过杂散电容C在电源线和接地层（如铜测试台）之间产生流浪.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。这些电压在 50 个Ω电阻上测量。从CM和DM噪声的定义（如图1所示）可以看出，V1和V2可以用CM电压之和和差（V厘米） 和 DM 电压 （V分米），分别。这使我们能够计算 V厘米来自 V1 和 V2 的平均值，以及 V分米作为 V1 和 V2 之间差异的一半。

测量CM噪声和DM噪声

T型功率组合器是一种无源器件，它将两个输入信号组合到单个端口输出。0°合路器在输出端口产生输入信号的矢量和，180°合路器产生输入信号的矢量差。1因此，可以使用 0° 合路器产生 V厘米和一个 180° 合路器以产生 V分米.

图2所示的两个组合器ZFSC-2-1W+（0°）和ZFSCJ-2-1+（180°）用于测量V厘米和 V分米从 1 兆赫到 108 兆赫。对于这些器件，频率低于1 MHz时，测量误差会增加。对于较低频率的测量，请使用不同的合路器，例如ZMSC-2-1+（0°）和ZMSCJ-2-2（180°）。

图2.0° 和 180° 合路器。

图3.测量 （a） V 的实验装置厘米和（b） 五分米.

图4.用于测量CM噪声和DM噪声的测试设置。

测试设置示意图如图 3 所示。功率组合器被添加到标准CE测试设置中。电源线和返回线的 LISN 输出分别连接到合路器的输入端口 1 和输入端口 2。对于 0° 合路器，输出电压为 VS_CM= V1 + V2;对于 180° 合路器，输出电压为 VS_DM= V1 – V2。

合路器V的输出信号S_CM和 VS_DM必须在测试接收器中进行处理以产生V厘米和 V分米.首先，功率组合器在接收器中补偿了指定的插入损耗。二、自五厘米= 0.5 VS_CM和 V分米= 0.5 VS_DM，则测试接收器从接收信号中额外减去6 dBμV。补偿这两个因素后，在测试接收器中读取测得的CM噪声和DM噪声。

CM噪声和DM噪声测量的实验验证

使用带有双通道降压转换器的标准演示板来验证此方法。该演示板的开关频率为2.2 MHz，而V在= 12 V， V输出1= 3.3 V， I输出1= 10 A， V输出2= 5 V，和I输出2= 10 A. 图4显示了EMI室中的测试设置。

图5和图6说明了测试结果。在图5中，较高的EMI曲线显示了使用标准CISPR 25设置测量的总电压方法CE，而较低的辐射曲线显示了通过添加0°合路器测量的分离CM噪声。在图6中，较高的辐射曲线显示了总CE，而较低的EMI曲线显示了通过添加180°组合器测量的分离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。

调整后的演示板通过 CISPR 25 5 类

根据测量结果，在30 MHz至108 MHz范围内，总噪声发射超过了CISPR 25 Class 5的极限。通过分离CM和DM噪声测量，似乎该范围内的高传导发射是由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是没有意义的，因为这些缓解技术不会降低此范围内有问题的CM噪声。

因此，该演示板上实现了专门解决CM噪声的方法。CM噪声的一个来源是开关电路中的高dV/dt信号。通过增加栅极电阻来降低dV/dt可以降低噪声水平。如前所述，CM噪声通过杂散电容C通过LISN流浪.C 越小流浪，则在 LISN 中检测到的 CM 噪声越低。要减少 C流浪，开关节点的铜面积在该演示板上减少。此外，在转换器的输入端增加了一个CM EMI滤波器，以获得高CM阻抗，从而降低进入LISN的CM噪声。通过实施这些方法，30 MHz至108 MHz处的噪声降低到足以符合CISPR 25 Class 5的要求，如图7所示。

图7.总噪音得到改善。

结论

本文提出了一种测量和分离总传导发射的CM噪声和DM噪声的实用方法，并通过测试结果进行了验证。如果设计人员可以分离CM和DM噪声，则可以实施针对CM或DM的特定缓解解决方案来有效抑制噪声。总体而言，这种方法有助于快速找到EMI故障的根本原因，从而节省EMI设计的时间。

审核编辑：郭婷