圖1.降壓轉換器中的CM噪聲路徑和DM噪聲路徑

 

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（例如銅測試台）之間產生。用於CE測量的LISN位於電源和降壓轉換器之間。LISN本身不能用於直接測量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50Ω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。

 

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°合成器可用於產生V_CM
，180°合成器產生 V_DM.

 

圖2所示的兩個合成器ZFSC-2-1W+ (0°)和ZFSCJ-2-1+ (180°)來自Mini-Circuits，用於測量1 MHz至108 MHz的V_CM和V_DM。對於這些器件，頻率低於1 MHz時測量誤差會增大。對於較低頻率的測量
，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.用於測量(a) V_CM和(b) V_DM的實驗裝置

 

圖4.用於測量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V_{S_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V_{S_CM}和V_{S_DM}必須在測試接收器中處理，以產生V_CM和V_DM。首先，功率合成器已指定接收器中補償的插入損耗。其次，由於V_CM = 0.5 V_{S_CM}且V_DM = 0.5 V_{S_DM}，因此測試接收器從接收到的信號中再減去6 dBμV。補償這兩個因素之後
，在測試接收器中讀出測得的CM噪聲和DM噪聲。

 

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 = 10 A。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°合成器後測得的分離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°合成器後測得的分離DM噪聲。這些測試結果符合理論分析，表明DM噪聲在較低頻率範圍內占主導地位，而CM噪聲在較高頻率範圍內占主導地位。

 

圖5.測得的CM噪聲與總噪聲的關係

 

圖6.測得的DM噪聲與總噪聲的關係

 

調整後的演示板符合CISPR 25 Class 5標準

 

根據測量結果，在30 MHz至108 MHz範圍，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
，發現此範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，因為這些抑製技術不會降低該範圍內引發問題的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。C_STRAY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麵積。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 MHz至108 MHz範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

 

結論

 

本文介紹了一種用於測量和分離總傳導輻射中的CM噪聲和DM噪聲的實用方法，並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製噪聲。總之，這種方法有助於快速找到EMI故障的根本原因
，節省EMI設計的時間。

 

參考電路

 

“AN-10-006：了解功率分路器。” Mini-Circuits，2015年4月。

 

 

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