抑制複雜的FM頻段傳導EMI的策略

作者:ADI電源產品部應用工程師 Gengyao Li、, 設計工程師Dongwon Kwon, 及LED驅動器應用經理 Keith Szolusha


問題:

如何抑制來自切換電源的複雜的FM頻段傳導輻射?

RAQ Issue: 188

答案:

雖然EMI遮罩和鐵氧體夾是較受歡迎的EMI解決方案,但其價格昂貴、體積笨重,有時使用效果不理想。此時,我們可以透過瞭解FM頻段EMI雜訊的來源,以及利用電路和PCB設計技術從源頭進行抑制,以降低這些雜訊。

電源網路的EMI性能在雜訊敏感型系統中至關重要,例如汽車電路,尤其是涉及切換模式電源(SMPS)的情況下。工程師們可能需要花費大量時間來減少傳導輻射(CE)和電磁輻射騷擾(RE)。特別是在測量CE時,FM頻段(76 MHz至~108 MHz)可能是最難達到要求並透過測試的區域。設計人員可能需要花費許多精力來解決這一問題。為何FM頻段中的CE雜訊如此難以消除?

低頻(AM頻段)CE中的雜訊主要為差模(DM)雜訊。高頻(FM頻段)CE中的雜訊主要為共模(CM)雜訊。 1共模雜訊電流由PCB上電壓變化的節點產生。電流通過雜散電容洩漏至參考地,然後返回正負輸入電纜(參見圖1)。因為PCB周圍的雜散電容非常複雜,所以無法模擬雜散電容和預估FM頻段的傳導EMI。最好是在EMI室中測試電路板。

Figure 1. A conducted emission, common-mode noise current path.
圖1.傳導輻射、共模雜訊電流路徑。

在實驗室中,有些行之有年的方法可以有效降低FM頻段的EMI,包括改變切換頻率、切換壓擺率、切換節點佈局、熱迴路佈局、電感,甚至是輸入電纜和負載的位置。每種方法的功效因電路板而異。

本文將探討幾種簡單的低成本方法,可以在不使用鐵氧體夾或遮罩的情況下降低電路板上的FM頻段傳導EMI。我們在經過認證的EMI室中,將 LT3922-1 汽車HUD LED驅動器裝載到電路板上,然後執行電流探頭CE測試,以驗證結果,如圖2所示。

Figure 2. A simplified schematic of the LT3922-1 automotive HUD LED driver.
圖2.LT3922-1汽車HUD LED驅動器的簡化原理圖。

在本次測試中,我們根據CISPR 25 EMI設定,採用電流探頭法來測量CE,如圖3所示。我們可以使用電壓探頭法或電流探頭法來測試CE,但大家普遍認為電流探頭法標準更加嚴格。電流CE方法不是測量LISN的電壓輸出,而是利用高頻寬電流探頭來測量透過電源線或線束傳送的CM雜訊訊號,它們分別距離DUT 50 mm和750 mm。每次掃描時採集CE的峰值和平均數據,並與公佈的標準限值進行比較。

Figure 3. CISPR 25 current probe conducted emissions (CE) setup in EMI testing chamber (50 mm).
圖3.EMI測試室(50 mm)中的CISPR 25電流探頭傳導輻射(CE)設定。

使用電流探頭方法時,CISPR 25 Class 5中描述的FM頻段平均CE限值低至−16 dBµA。在這裡,我們展示了幾種在使用電流探頭法測試CE時,可以有效改善FM頻段的測試結果的方法。其中許多方法也可用於在使用電壓探頭法測試CE時改善測試結果。

除非另外說明,本次研究中進行的所有測試均啟用SSFM功能。啟用SSFM之後,切換頻率及其諧波下的EMI尖峰都會降低。

共模扼流圈可抑制EM頻段的EMI雜訊

CM雜訊電流是在切換過程中產生的,其經由雜散電容洩漏到參考地,然後透過同一方向的輸入電源和迴路返回。透過使用CM扼流圈提高迴路中的共模阻抗,可以抑制多餘的CM雜訊。

圖4顯示了50 mm和750 mm平均電流探頭CE結果,對不安裝扼流圈的初始電路和將扼流圈安裝在LED驅動器電路之前的電路進行比較。圖中也顯示了環境雜訊基準作為參考。FM頻段CE(76 MHz至~108 MHz)降低了8 dBµA以上。

表1.測試所用電感的技術規格比較
產品型號 3L UPIMFS0603-220M Würth 74437346220 Coilcraft XEL5050-223
磁遮罩
外露焊墊 外露 外露 未外露
磁芯材料 金屬粉末 鐵粉 複合材料

電感帶來變化

快速變化的電壓和電流作用於主電感,使其成為電磁天線,因此,電感可以成為FM頻段CE雜訊的來源。我們可以使用多種電感方法來改善EMI測試結果。例如,電感安裝的方向可以帶來改變。2遮罩電感的輻射通常比非遮罩電感低,有些磁芯材料對H場和E場輻射的抑制作用也比其他材料強。例如,鐵粉和金屬合金粉電感在頻率高於1 MHz時,E場遮罩效果減弱。MnZn和NiZn在更高切換頻率下性能更好。2, 3具有外露焊墊的電感性能不如焊墊未外露的電感。將內部線圈的長引線連接到高dV⁄dt(切換)節點會使E場輻射大幅增加。

Figure 4. Current probe CE shows that emissions are lower in the FM band when a common-mode choke is used.
圖4.電流探頭CE測試表明,在使用共模扼流圈時,FM頻段內的輻射較低。
Figure 5. Current probe CE inductor comparison.
圖5.電流探頭CE測試結果比較(電感)。
Figure 6. Current probe CE comparison of switching frequencies.
圖6.電流探頭CE測試結果比較(切換頻率)。

採用三個22 µH遮罩電感進行測試,如表1所示。在不採用CM扼流圈的相同電路中評估EMI,每個電感都按照能提供優質性能的方向安裝。比較結果如圖5所示。在本次研究中,Coilcraft XEL電感的FM頻段雜訊抑制性能優質,與其他3L電感相比,將FM頻段EMI降低5.1 dB。

切換頻率(fsw)越低,FM頻段內的雜訊越小

降低切換頻率可以降低給定高頻下的發射能量。在圖6中,對不使用CM扼流圈的電路執行電流探頭CE測試,並比較在200 kHz、300 kHz和400 kHz切換頻率下的測試結果。除RT外的所有零組件都保持不變。測試結果顯示,200 kHz時FM頻段內的EMI最低,與400 kHz時相比,輻射降低3.2 dB。

透過減少切換節點面積來減少天線雜訊

高dV⁄dt切換節點是一個噪音源,其會產生電容耦合,增加CE中的CM EMI雜訊。它也像天線一樣工作向空間輻射電磁雜訊,也會影響輻射EMI。因此,應盡可能減小PCB佈局上的切換節點面積可以改善EMI性能

為了在PCB電路板上測試這一點,我們切除了部分銅芯,並將電感移動到更靠近IC的位置(如圖7所示),以此減小切換節點面積。我們測試了切除銅芯之前和之後的EMI,測試結果如圖8所示。

結果顯示,50 mm電流探頭CE測試在105 MHz時降低了1 dB,而750 mm測試沒有明顯改善。這一結果表示,在此應用中,銅芯面積不是影響FM頻段EMI的主要因素。儘管如此,為了實現低EMI的PCB佈局,或在設法消除EMI期間,儘量減小切換節點面積仍然是值得嘗試的。

Figure 7. Switch node cutoff area.
圖7.切換節點切除區域。
Figure 8. Current probe CE comparing switch node areas.
圖8.電流探頭CE測試結果比較(切換節點面積)。

結論

電源的EMI性能主要取決於電源IC的性能,但即使是高性能IC,也只能透過選擇合適的元件和有效的PCB佈局來實現低EMI。在本文中,我們利用基於LT3922-1汽車HUD LED驅動器建構的電路板,探討了幾種抑制FM頻段內傳導輻射(CE)的方法。

在正負輸入電纜上安裝CM扼流圈會增大共模雜訊電流回路中的阻抗。採用不同磁芯材料、磁芯結構和線圈結構的不同電感,其EMI性能結果也有所不同。僅透過查看技術規格很難判斷哪個電感的效果更好,但可以在EMI實驗室中進行比較。

PCB上電感的安裝方向也很重要。降低切換頻率和減小切換節點銅面積都有助於降低FM頻帶內CE。如果DUT是使用控制器(外部MOSFET)的切換穩壓器電路,則可以透過降低切換壓擺率和盡可能減小熱迴路面積來進一步降低FM頻帶EMI。

參考文獻

1 Ling Jiang、Frank Wang、Keith Szolusha和Kurk Mathews. "A Practical Method for Separating Common-Mode and Differential-Mode Emissions in Conducted Emissions Testing." 類比對話,第55卷第1期,2021年1月。

2 Keith Szolusha、Gengyao Li。"Does the Assembly Orientation of an SMPS Inductor Affect Emissions?" emiTime,2020年8月。

3 Ranjith Bramanpalli。 "ANP047: The Behavior of Electro-Magnetic Radiation of Power Inductors in Power Management." Würth Elektronik,2018年3月。