傳導輻射測試中分離共模和差模輻射的實用方法
前言：
作者：ADI應用工程師Ling Jiang, 測試工程師 Frank Wang, LED驅動器應用經理Keith Szolusha, 及資深應用經理Kurk Mathews
切換穩壓器的EMI分為電磁輻射和傳導輻射(CE)。本文重點討論傳導輻射，其可進一步分為兩類：共模(CM)雜訊和差模(DM)雜訊。為什麼要區分CM-DM？對CM雜訊有效的EMI抑制技術不一定對DM雜訊有效，反之亦然，因此，確定傳導輻射的來源可以節省花在抑制雜訊上的時間和成本。本文介紹一種將CM輻射和DM輻射從 LTC7818控制的切換穩壓器中分離出來的實用方法。知道CM雜訊和DM雜訊在CE頻譜中出現的位置，電源設計人員便可有效應用EMI抑制技術，這從長遠來看可以節省設計階段和BOM成本。
圖1.降壓轉換器中的CM雜訊路徑和DM雜訊路徑
圖1顯示了典型降壓轉換器的CM雜訊和DM雜訊路徑。DM雜訊在電源線和返回線之間產生，而CM雜訊是透過雜散電容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雜訊，但它確實能測量電源和返回電源線雜訊——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雜訊的定義，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雜訊和DM雜訊
T型功率合成器是一種被動元件，可將兩個輸入訊號合成為一個埠輸出。0°合成器在輸出埠產生輸入訊號的向量和，而180°合成器產生輸入訊號的向量差1。因此，0°合成器可用於產生VCM，180°合成器產生 VDM.
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VCM和VDM。對於這些元件，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) VCM和(b) VDM的實驗裝置
圖4.用於測量CM雜訊和DM雜訊的測試設定
測試設定如圖3所示。功率合成器已增加至標準CE測試設定中。LISN針對電源線和返回線的輸出分別連接到合成器的輸入埠1和輸入埠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。
合成器的輸出訊號VS_CM和VS_DM必須在測試接收器中處理，以產生VCM和VDM。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VCM = 0.5 VS_CM且VDM = 0.5 VS_DM，因此測試接收器從接收到的訊號中再減去6 dBμV。補償這兩個因素之後，在測試接收器中讀出測得的CM雜訊和DM雜訊。
CM雜訊和DM雜訊測量的實驗驗證
使用一個裝有雙降壓轉換器的標準展示板來驗證此方法。展示板的切換頻率為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室中的測試設定。
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設定測得的總電壓法CE，而較低輻射曲線表示添加0°合成器後測得的分離CM雜訊。在圖6中，較高輻射曲線表示總CE，而較低EMI曲線表示增加180°合成器後測得的分離DM雜訊。這些測試結果符合理論分析，顯示DM雜訊在較低頻率範圍內佔主導地位，而CM雜訊在較高頻率範圍內佔主導地位。
圖5.測得的CM雜訊與總雜訊的關係
圖6.測得的DM雜訊與總雜訊的關係
調整後的展示板符合CISPR 25 Class 5標準
根據測量結果，在30 MHz至108 MHz範圍，總輻射雜訊超過了CISPR 25 Class 5的限值。透過分離CM和DM雜訊測量，發現此範圍內的高傳導輻射似乎是由CM雜訊引起的。增加或增強DM EMI濾波器或以其他方式降低輸入漣波幾乎沒有意義，因為這些抑制技術不會降低該範圍內引發問題的CM雜訊。
因此，該展示板展示了專門解決CM雜訊的辦法。CM雜訊的來源之一是切換電路中的高dV/dt訊號。透過增加閘極電阻來降低dV/dt，可以降低該雜訊位準。如前所述，CM雜訊透過雜散電容CSTRAY穿過LISN。CSTRAY越小，在LISN中檢測到的CM雜訊就越低。為了縮減CSTRAY，應減少此展示板上切換節點的覆銅面積。此外，轉換器輸入端增加了一個CM EMI濾波器，以獲得高CM阻抗，從而降低進入LISN的CM雜訊。透過進行這些方法，30 MHz至108 MHz範圍的雜訊得以充分降低，從而符合CISPR 25 Class 5標準，如圖7所示。
圖7.總雜訊得到改善
結論
本文介紹了一種用於測量和分離總傳導輻射中的CM雜訊和DM雜訊的實用方法，並透過測試結果進行了驗證。如果設計人員能夠分離CM和DM雜訊，便可進行專門針對CM或DM的減輕解決方案來有效抑制雜訊。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: Understanding Power Splitters.” Mini-Circuits，2015年4月。
