如何控制使用长输出线时的传导 EMI(下)

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简介

本文为分析并改善长线负载下过高传导 EMI问题系列文章之下篇。上篇回顾了共模 (CM) EMI 模型,并讨论了电场耦合和磁场耦合的影响;中篇利用一系列公式证实了传输线理论;下篇将重点介绍三种降噪方法 。

降噪方法

基于噪声模型,有多种方法可用于降噪,如下所述:

  • 减小高频噪声源,如降低开关波形斜率
  • 通过抖频降低高频噪声
  • 布线时,尽量减小 dV/dt 节点和 dI/dt 环路的面积
  • 在环路中添加共模 (CM) 滤波器,或在输出线上添加卡扣式铁氧体滤波器(也称为磁环)
  • 调整输出线长度以避开敏感频段
  • 添加屏蔽罩以解决近场耦合问题

在这些通用的降噪方法中,本文将侧重于探讨最后三种适用于长线负载的方法。

输出侧加磁环

第一种降噪方法是在输出侧靠近电路板的一端添加一个卡扣式铁氧体滤波器 1 对用与不用卡扣式铁氧体滤波器时的输出线对地阻抗进行了比较可以看到添加卡扣式铁氧体滤波器后对地阻抗明显增大磁环有效地抑制了高频的谐振峰。

图 1:带卡扣式铁氧体滤波器时的接地阻抗

图 2 显示了输出线的传导 EMI测试结果。可见,添加卡扣式铁氧体滤波器可以有效地抑制高频谐振峰值。

图 2:输出线有无磁环时的传导EMI测试结果

调整输出线长度

第二种降噪方法是改变输出线的长度来调整谐振峰的位置。如图3所示,当线长为1.2m时,3/4λ对应的谐振峰值超过108MHz,避开了FM波段(76MHz至108MHz)。由此可见,改变线长能够降低噪声。我们对2m 和 1.2m 的线长及其传导 EMI 结果进行比较,可以发现后者的谐振峰值出现在 53MHz 左右。

图 3:传导 EMI 测试结果比较(2m 和 1.2m 输出线)

添加屏蔽罩

添加屏蔽罩可以消除输出线和测试板之间的近场耦合,从而降低 EMI。屏蔽罩可以由金属制成,需覆盖电路中的dV/dt 节点和 dI/dt 环路,然后将屏蔽罩靠近噪声源接地。

图 4 说明了接地对于电场耦合的效果。当dv/dt节点被屏蔽后,原来直接对参考地对输出线的杂散电容Cswp和CCou变成了其对屏蔽罩的杂散电容Cswp1和CCou1。当屏蔽罩接地的时候,噪声电流直接流回噪声源的地,不会经过LISN,因此也就没有共模噪声了。

如果屏蔽罩不接地,噪声电流仍会流向参考地,但这不会降低 EMI,因为屏蔽罩仍存在来自参考地和输出线的杂散电容。

图 4:接地屏蔽罩对电场耦合的影响

图 5 说明了接地对于高频磁场耦合的效果。当di/dt 节点被屏蔽后,在理想情况下(屏蔽罩与di/dt环路的耦合非常好,高频时屏蔽罩的阻抗基本为感性),屏蔽罩可以产生一个涡流抵消原来di/dt环路对外界的影响。解耦后,如图17右侧所示,原来磁场耦合产生的感应电压源可以被屏蔽罩抵消。

图 5:屏蔽罩对高频磁场耦合的影响

EMI 测试结果还验证了添加屏蔽对传导噪声的明显改善(参见图 6)。即使输出线为2m,传导噪声也可以满足 CISPR 25 Class 5 的要求,且有6dB 的裕量。

图 6:有无接地屏蔽罩的传导EMI测试结果对比

MPQ7200 的实际应用

本文主要以D类放大器为例对长线负载进行了分析,但上述方法也适用于其他芯片。例如MPS的高频、恒流、升降压 LED 驱动器MPQ7200,该器件就采用了抖频和对称 VIN设计等多种方法来降低 EMI。

如图 7 所示,当没有输出线时,MPQ7200的传导 EMI 噪声非常低。但添加2m 输出线后,传导 EMI 就在相应位置出现两个谐振峰值。

图 7:MPQ7200 有无2m输出线时的传导 EMI 测试结果

图 8 显示了添加屏蔽罩对MPQ7200 传导噪声的降低作用。这种效果在高频时尤为明显,充分表明文中介绍的原理和降噪措施对所有变换器拓扑都是通用的。

图 8: MPQ7200 有无屏蔽罩时的传导EMI测试结果

结论

在本系列文章中,我们在前两篇中对高频共模模型进行了建模,在本文中比较了三种降低 EMI 的方法,并对传导 EMI 的谐振峰值进行了考察。总而言之,通过策略性的电路修改,各种汽车电子应用在长线负载下的过高EMI都可以得到有效控制。

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