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小功率便携式音频产品的辐射发射超标对策
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2017-11-16
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分享到：标签：LM3478 TI BQ24133 Snubber电路 辐射发射超标 德州仪器 Boost（Buck）芯片
摘要
小功率便携式电子产品目前常用锂电池和 Boost（Buck）芯片给 MCU、Audio 以及显示屏等器件供电。此类产品通常使用适配器供电，设计要求充电部分工作时，必须通过测试并符合 EMC标准。一般来说，为了提高系统工作效率，锂电池充电芯片都是基于开关工作方式，类似一个开关电源，另外，可能其他的开关电源芯片在同时工作，器件均为开关工作方式，提高了工作效率，同时引入了辐射问题，这也是电子产品设计过程中的常见问题。本文基于一个产品设计实例（用BQ24133 单电池充电电路和LM3478 升压电路），对设计过程中曾经遇到的辐射难题进行了详尽的分析。确定骚扰源，找出耦合路径，最终给出解决问题的方法，以供大家作参考。
1. 便携式音频产品电源系统介绍
1.1 背景
实际的产品开发中，便携式产品的 EMI 测试是用适配器给产品充电，有其他外接设备连接也需要在测试时接上。下面以一个实际产品的开发为例，说明这类产品设计的 EMI 设计要注意的问题，以及遇到辐射发射超标，如何来分析问题产生的原因。并找出解决问题的办法。
1.2 音频产品供电回路
如下图 1 是一个 Audio 产品的电源部分的原理图，这个产品有一个 charger 芯片 BQ24133，在这个应用中设置最大充电电流 2A。有一个 Boost 芯片 LM3478，把电池电压升压到 10V 给 Audio 芯片供电，满载电流 1A，另外一个 Boost 芯片 LM3478，把电池电压升到 5V，给iphone或者ipad充电，最大电流2A。适配器的直流输出线规格是 1.5 米，手机充电的电源线约 0.5 米，整个 PCB 板面积大概12mm×8mm，设计为两层板。
图 1：Audio 供电回路图
2. EMI 问题分析
2.1 EMI 问题的产生
这类便携式产品要求通过标准 EN55022，Class B。这个产品的初版样机在辐射发射测试时（未接手机），辐射发射 30M 到 300M 频段严重超标，在 200MHZ 左右，超标 20DB 以上。
2.2 分析辐射发射超标的原因：
首先，先分析辐射超标产生的原因，我们知道 EMC 三要素，骚扰源，耦合路径和敏感设备。这个产品中开关方式工作的器件无疑是骚扰源，也就是 BQ24133（开关频率1.6MHZ）和两个 LM3478（开关频率400KHZ）。再看耦合路径，30M 到 300M 频段对应的波长是一米到十米，如果要发射一定波长的电磁波，需要一根发射天线，成为天线的必要条件是长度至少要大于波长的二十分之一，当天线是电磁波半波长的整数倍时，发射功率最大。满足以上条件能成为天线的导线就是几根外接线，最有可能的是适配器的直流电源线和地线。分析 layout 设计，发现产品设计时，只用了一个地，在整个 PCB 的两层均大面积铺地，并且与适配器的地线连接在一起，加上手机的充电导线，构成一根超过两米长的地线。另外BQ24133 充电电路和两个 LM3478 的升压电路底下也是大面积的铺地，造成高频干扰直接耦合到地平面，通过长的地线发射出来。
3. 解决问题的办法：
针对以上分析，做了整改。由于是便携式音频设备，没有 PE 线，无法使用 Y 电容，客户也不希望使用共模电感增加成本，所以主要优化 layout。采取了以下措施：
3.1 Layout 注意事项：
1）将每个电源回路梳理，将模拟地和数字地分开，每个单元电路不要相互交叉。BQ24133 的数字地和模拟地分开走线，在芯片下通过一个 0 欧姆电阻的单点接。另外，BQ24133 的功率地最好跟整个产品的地适当分割，单点连接。
2）减小谐波回路面积，对 LM3478，如图，MOS 管开通时，Cin，L 和 MOS 构成一个回路对电感充电，请看图 2（a）的 Cycle1。MOS 管关断时，Cin，L，D，Cout构成另一个回路对电感放电，请看图 2（b）中的 Cycle2。对于二极管 D，交替工作在正向导通和反向截止的状态，因此，有很高的反向恢复尖峰电压，需要在二极管两端加Snubber电路来抑制这个尖峰电压，以避免产生过大的共模噪声。这两个回路的工作频率是 MOS 的开关频率，谐波分量大，布板时要尽量减小谐波回路的面积。要把这两个功率回路的器件靠近放置，走大铜皮宽走线，减小开关频率谐波的回路阻抗。
摘要
小功率便携式电子产品目前常用锂电池和 Boost（Buck）芯片给 MCU、Audio 以及显示屏等器件供电。此类产品通常使用适配器供电，设计要求充电部分工作时，必须通过测试并符合 EMC标准。一般来说，为了提高系统工作效率，锂电池充电芯片都是基于开关工作方式，类似一个开关电源，另外，可能其他的开关电源芯片在同时工作，器件均为开关工作方式，提高了工作效率，同时引入了辐射问题，这也是电子产品设计过程中的常见问题。本文基于一个产品设计实例（用BQ24133 单电池充电电路和LM3478 升压电路），对设计过程中曾经遇到的辐射难题进行了详尽的分析。确定骚扰源，找出耦合路径，最终给出解决问题的方法，以供大家作参考。
1. 便携式音频产品电源系统介绍
1.1 背景
实际的产品开发中，便携式产品的 EMI 测试是用适配器给产品充电，有其他外接设备连接也需要在测试时接上。下面以一个实际产品的开发为例，说明这类产品设计的 EMI 设计要注意的问题，以及遇到辐射发射超标，如何来分析问题产生的原因。并找出解决问题的办法。
1.2 音频产品供电回路
如下图 1 是一个 Audio 产品的电源部分的原理图，这个产品有一个 charger 芯片 BQ24133，在这个应用中设置最大充电电流 2A。有一个 Boost 芯片 LM3478，把电池电压升压到 10V 给 Audio 芯片供电，满载电流 1A，另外一个 Boost 芯片 LM3478，把电池电压升到 5V，给iphone或者ipad充电，最大电流2A。适配器的直流输出线规格是 1.5 米，手机充电的电源线约 0.5 米，整个 PCB 板面积大概12mm×8mm，设计为两层板。
图 1：Audio 供电回路图
2. EMI 问题分析
2.1 EMI 问题的产生
这类便携式产品要求通过标准 EN55022，Class B。这个产品的初版样机在辐射发射测试时（未接手机），辐射发射 30M 到 300M 频段严重超标，在 200MHZ 左右，超标 20DB 以上。
2.2 分析辐射发射超标的原因：
首先，先分析辐射超标产生的原因，我们知道 EMC 三要素，骚扰源，耦合路径和敏感设备。这个产品中开关方式工作的器件无疑是骚扰源，也就是 BQ24133（开关频率1.6MHZ）和两个 LM3478（开关频率400KHZ）。再看耦合路径，30M 到 300M 频段对应的波长是一米到十米，如果要发射一定波长的电磁波，需要一根发射天线，成为天线的必要条件是长度至少要大于波长的二十分之一，当天线是电磁波半波长的整数倍时，发射功率最大。满足以上条件能成为天线的导线就是几根外接线，最有可能的是适配器的直流电源线和地线。分析 layout 设计，发现产品设计时，只用了一个地，在整个 PCB 的两层均大面积铺地，并且与适配器的地线连接在一起，加上手机的充电导线，构成一根超过两米长的地线。另外BQ24133 充电电路和两个 LM3478 的升压电路底下也是大面积的铺地，造成高频干扰直接耦合到地平面，通过长的地线发射出来。
3. 解决问题的办法：
针对以上分析，做了整改。由于是便携式音频设备，没有 PE 线，无法使用 Y 电容，客户也不希望使用共模电感增加成本，所以主要优化 layout。采取了以下措施：
3.1 Layout 注意事项：
1）将每个电源回路梳理，将模拟地和数字地分开，每个单元电路不要相互交叉。BQ24133 的数字地和模拟地分开走线，在芯片下通过一个 0 欧姆电阻的单点接。另外，BQ24133 的功率地最好跟整个产品的地适当分割，单点连接。
2）减小谐波回路面积，对 LM3478，如图，MOS 管开通时，Cin，L 和 MOS 构成一个回路对电感充电，请看图 2（a）的 Cycle1。MOS 管关断时，Cin，L，D，Cout构成另一个回路对电感放电，请看图 2（b）中的 Cycle2。对于二极管 D，交替工作在正向导通和反向截止的状态，因此，有很高的反向恢复尖峰电压，需要在二极管两端加Snubber电路来抑制这个尖峰电压，以避免产生过大的共模噪声。这两个回路的工作频率是 MOS 的开关频率，谐波分量大，布板时要尽量减小谐波回路的面积。要把这两个功率回路的器件靠近放置，走大铜皮宽走线，减小开关频率谐波的回路阻抗。
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