终于搞明白差模噪声与共模噪声

原创亚德诺半导体 2024-11-15 18:05

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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成本。

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(V_CM)和DM电压(V_DM)的和与差。因此，V1和V2的平均值就是V_CM，而V1和V2之差的一半就是V_DM。

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。因此，0°合成器可用于产生V_CM，180°合成器产生 V_DM_。

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V_CM和V_DM。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°)。

图2.0°和180°合成器

图3.用于测量(a) V_CM和(b) V_DM的实验装置

图4.用于测量CM噪声和DM噪声的测试设置

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V_{S_CM} = V1 + V2；180°合成器的输出电压为V_{S_DM} = V1 – V2。

合成器的输出信号V_{S_CM}和V_{S_DM}必须在测试接收器中处理，以产生V_CM和V_DM。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V_CM = 0.5 V_{S_CM}且V_DM = 0.5 V_{S_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，V_IN = 12 V，V_OUT1 = 3.3 V，I_OUT1 = 10 A，V_OUT2 = 5 V，I_OUT2= 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5.测得的CM噪声与总噪声的关系

图6.测得的DM噪声与总噪声的关系

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C_STRAY穿过LISN。C_STRAY越小，在LISN中检测到的CM噪声就越低。为了减小C_STRAY，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。