传导辐射测试中分离共模和差模辐射的实用方法

开关稳压器的EMI分为电磁辐射和传导辐射(CE)。本文重点讨论传导辐射，其可进一步分为两类：共模(CM)噪声和差模(DM)噪声。为什么要区分CM-DM？对CM噪声有效的EMI抑制技术不一定对DM噪声有效，反之亦然，因此，确定传导辐射的来源可以节省花在抑制噪声上的时间和金钱。本文介绍一种将CM辐射和DM辐射从 LTC7818控制的开关稳压器中分离出来的实用方法。知道CM噪声和DM噪声在CE频谱中出现的位置，电源设计人员便可有效应用EMI抑制技术，这从长远来看可以节省设计时间和BOM成本。

图1.降压转换器中的CM噪声路径和DM噪声路径

图1显示了典型降压转换器的CM噪声和DM噪声路径。DM噪声在电源线和返回线之间产生，而CM噪声是通过杂散电容CSTRAY在电源线和接地层（例如铜测试台）之间产生。用于CE测量的LISN位于电源和降压转换器之间。LISN本身不能用于直接测量CM和DM噪声，但它确实能测量电源和返回电源线噪声——分别为图1中的V1和V2。这些电压是在50Ω电阻上测得的。根据CM和DM噪声的定义，如图1所示，V1和V2可以分别表示为CM电压(VCM)和DM电压(VDM)的和与差。因此，V1和V2的平均值就是VCM，而V1和V2之差的一半就是VDM。

测量CM噪声和DM噪声

T型功率合成器是一种无源器件，可将两个输入信号合成为一个端口输出。0°合成器在输出端口产生输入信号的矢量和，而180°合成器产生输入信号的矢量差1。因此，0°合成器可用于产生VCM，180°合成器产生 VDM。

图2所示的两个合成器ZFSC-2-1W+ (0°)和ZFSCJ-2-1+ (180°)来自Mini-Circuits，用于测量1 MHz至108 MHz的VCM和VDM。对于这些器件，频率低于1 MHz时测量误差会增大。对于较低频率的测量，应使用其他合成器，例如ZMSC-2-1+ (0°)和ZMSCJ-2-2 (180°)。

测试设置如图3所示。功率合成器已添加到标准CE测试设置中。LISN针对电源线和返回线的输出分别连接到合成器的输入端口1和输入端口2。0°合成器的输出电压为VS_CM = V1 + V2；180°合成器的输出电压为VS_DM = V1 – V2。

合成器的输出信号VS_CM和VS_DM必须在测试接收器中处理，以产生VCM和VDM。首先，功率合成器已指定接收器中补偿的插入损耗。其次，由于VCM = 0.5 VS_CM且VDM = 0.5 VS_DM，因此测试接收器从接收到的信号中再减去6 dBμV。补偿这两个因素之后，在测试接收器中读出测得的CM噪声和DM噪声。

CM噪声和DM噪声测量的实验验证

使用一个装有双降压转换器的标准演示板来验证此方法。演示板的开关频率为2.2 MHz，VIN = 12 V，VOUT1 = 3.3 V，IOUT1 = 10 A，VOUT2 = 5 V，IOUT2 = 10 A。图4显示了EMI室中的测试设置。

图5和图6显示了测试结果。在图5中，较高EMI曲线表示使用标准CISPR 25设置测得的总电压法CE，而较低辐射曲线表示添加0°合成器后测得的分离CM噪声。在图6中，较高辐射曲线表示总CE，而较低EMI曲线表示添加180°合成器后测得的分离DM噪声。这些测试结果符合理论分析，表明DM噪声在较低频率范围内占主导地位，而CM噪声在较高频率范围内占主导地位。

图6.测得的DM噪声与总噪声的关系

调整后的演示板符合CISPR 25 Class 5标准

根据测量结果，在30 MHz至108 MHz范围，总辐射噪声超过了CISPR 25 Class 5的限值。通过分离CM和DM噪声测量，发现此范围内的高传导辐射似乎是由CM噪声引起的。添加或增强DM EMI滤波器或以其他方式降低输入纹波几乎没有意义，因为这些抑制技术不会降低该范围内引发问题的CM噪声。

因此，该演示板展示了专门解决CM噪声的办法。CM噪声的来源之一是开关电路中的高dV/dt信号。通过增加栅极电阻来降低dV/dt，可以降低该噪声电平。如前所述，CM噪声通过杂散电容CSTRAY穿过LISN。CSTRAY越小，在LISN中检测到的CM噪声就越低。为了减小CSTRAY，应减少此演示板上开关节点的覆铜面积。此外，转换器输入端添加了一个CM EMI滤波器，以获得高CM阻抗，从而降低进入LISN的CM噪声。通过实施这些办法，30 MHz至108 MHz范围的噪声得以充分降低，从而符合CISPR 25 Class 5标准，如图7所示。

图7.总噪声得到改善

结论

本文介绍了一种用于测量和分离总传导辐射中的CM噪声和DM噪声的实用方法，并通过测试结果进行了验证。如果设计人员能够分离CM和DM噪声，便可实施专门针对CM或DM的减轻解决方案来有效抑制噪声。总之，这种方法有助于快速找到EMI故障的根本原因，节省EMI设计的时间。

参考电路

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

作者

Ling Jiang

Ling Jiang于2018年毕业于田纳西州诺克斯维尔大学，获电气工程博士学位。毕业后，她加入ADI公司电源产品部，工作地点位于美国加利福尼亚州圣克拉拉。Ling是一名应用工程师，负责为汽车、数据中心、工业和其他应用的控制器和µModule器件提供支持。

Frank Wang

Frank Wang获得德克萨斯大学达拉斯分校电气工程硕士学位，在加入ADI公司之前，曾在一家独立认证的合规实验室工作。他曾担任EMC/EMI测试工程师和项目负责人，拥有四年相关工作经验。Frank在标准测试、时间表安排、工程调试、测试仪器校准和烟室维护方面拥有丰富的经验。

Keith Szolusha

Keith Szolusha 是位于加利福尼亚州苗必达的ADI公司（前凌力尔特公司）LED驱动器应用经理。他于1997年和1998年获得马萨诸塞州剑桥麻省理工学院的电子工程学士和电子工程硕士学位，专攻技术写作。

Kurk Mathews

Kurk Mathews是ADI公司（加利福尼亚）电源产品部高级应用经理。Kurk于1994年加入凌力尔特（现为ADI公司一部分）担任应用工程师，为隔离转换器和高功率产品提供支持。其所在部门支持电源应用和新型控制器、单芯片转换器和栅极驱动器的开发。他喜欢使用各种新旧测试设备进行模拟电路设计和故障排除。Kurk毕业于亚利桑那大学，获得电气工程学士学位。

审核编辑黄宇