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共模和差模噪聲還傻傻分不清?

analog_devices ? 來源:未知 ? 2022-11-21 19:00 ? 次閱讀
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開關(guān)穩(wěn)壓器的EMI分為電磁輻射和傳導(dǎo)輻射(CE)。本文重點(diǎn)討論傳導(dǎo)輻射,其可進(jìn)一步分為兩類:共模(CM)噪聲和差模(DM)噪聲。為什么要區(qū)分CM-DM?對(duì)CM噪聲有效的EMI抑制技術(shù)不一定對(duì)DM噪聲有效,反之亦然,因此,確定傳導(dǎo)輻射的來源可以節(jié)省花在抑制噪聲上的時(shí)間和成本。


本文介紹一種將CM輻射和DM輻射從 LTC7818控制的開關(guān)穩(wěn)壓器中分離出來的實(shí)用方法。知道CM噪聲和DM噪聲在CE頻譜中出現(xiàn)的位置,電源設(shè)計(jì)人員便可有效應(yīng)用EMI抑制技術(shù),這從長遠(yuǎn)來看可以節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和BOM成本。


圖1.降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(tái))之間產(chǎn)生。用于CE測量的LISN位于電源和降壓轉(zhuǎn)換器之間。LISN本身不能用于直接測量CM和DM噪聲,但它確實(shí)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(jù)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(gè)輸入信號(hào)合成為一個(gè)端口輸出。0°合成器在輸出端口產(chǎn)生輸入信號(hào)的矢量和,而180°合成器產(chǎn)生輸入信號(hào)的矢量差。因此,0°合成器可用于產(chǎn)生VCM,180°合成器產(chǎn)生 VDM。

圖2所示的兩個(gè)合成器ZFSC-2-1W+ (0°)和ZFSCJ-2-1+ (180°)來自Mini-Circuits,用于測量1 MHz至108 MHz的VCM和VDM。對(duì)于這些器件,頻率低于1 MHz時(shí)測量誤差會(huì)增大。對(duì)于較低頻率的測量,應(yīng)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) VCM和(b) VDM的實(shí)驗(yàn)裝置

圖4.用于測量CM噪聲和DM噪聲的測試設(shè)置


測試設(shè)置如圖3所示。功率合成器已添加到標(biāo)準(zhǔn)CE測試設(shè)置中。LISN針對(duì)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VS_DM= V1 – V2。


合成器的輸出信號(hào)VS_CM和VS_DM必須在測試接收器中處理,以產(chǎn)生VCM和VDM。首先,功率合成器已指定接收器中補(bǔ)償?shù)牟迦霌p耗。其次,由于VCM= 0.5 VS_CM且VDM= 0.5 VS_DM,因此測試接收器從接收到的信號(hào)中再減去6 dBμV。補(bǔ)償這兩個(gè)因素之后,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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證


使用一個(gè)裝有雙降壓轉(zhuǎn)換器的標(biāo)準(zhǔn)演示板來驗(yàn)證此方法。演示板的開關(guān)頻率為2.2 MHz,VIN= 12 V,VOUT1= 3.3 V,IOUT1= 10 A,VOUT2= 5 V,IOUT2= 10 A。圖4顯示了EMI室中的測試設(shè)置。

圖5和圖6顯示了測試結(jié)果。在圖5中,較高EMI曲線表示使用標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25設(shè)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(jié)果符合理論分析,表明DM噪聲在較低頻率范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位,而CM噪聲在較高頻率范圍內(nèi)占主導(dǎo)地位。


圖5.測得的CM噪聲與總噪聲的關(guān)系

圖6.測得的DM噪聲與總噪聲的關(guān)系


根據(jù)測量結(jié)果,在30 MHz至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(fā)現(xiàn)此范圍內(nèi)的高傳導(dǎo)輻射似乎是由CM噪聲引起的。添加或增強(qiáng)DM EMI濾波器或以其他方式降低輸入紋波幾乎沒有意義,因?yàn)檫@些抑制技術(shù)不會(huì)降低該范圍內(nèi)引發(fā)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(guān)電路中的高dV/dt信號(hào)。通過增加?xùn)艠O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(yīng)減少此演示板上開關(guān)節(jié)點(diǎn)的覆銅面積。此外,轉(zhuǎn)換器輸入端添加了一個(gè)CM EMI濾波器,以獲得高CM阻抗,從而降低進(jìn)入LISN的CM噪聲。通過實(shí)施這些辦法,30 MHz至108 MHz范圍的噪聲得以充分降低,從而符合CISPR 25 Class 5標(biāo)準(zhǔn),如圖7所示。


圖7.總噪聲得到改善


結(jié)論


本文介紹了一種用于測量和分離總傳導(dǎo)輻射中的CM噪聲和DM噪聲的實(shí)用方法,并通過測試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。如果設(shè)計(jì)人員能夠分離CM和DM噪聲,便可實(shí)施專門針對(duì)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(jié)省EMI設(shè)計(jì)的時(shí)間。

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原文標(biāo)題:共模和差模噪聲還傻傻分不清?

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