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使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾

發(fā)布時(shí)間:2019-08-14 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】板載DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的常見(jiàn)問(wèn)題。這些小電路通常在1MHz和3MHz之間以亞納秒級(jí)邊緣速率快速切換,結(jié)果產(chǎn)生超過(guò)2GHz的寬帶EMI。
 
板載DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的常見(jiàn)問(wèn)題。這些小電路通常在1MHz和3MHz之間以亞納秒級(jí)邊緣速率快速切換,結(jié)果產(chǎn)生超過(guò)2GHz的寬帶EMI。EMI會(huì)影響敏感接收器電路的靈敏度,尤其是蜂窩和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)。
 
測(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器EMI性能的一種有效方式是在時(shí)域中使用小型磁場(chǎng)(H-field)探頭測(cè)量上升時(shí)間和振鈴。通過(guò)將磁場(chǎng)探頭耦合到轉(zhuǎn)換器輸出電感器,即可實(shí)現(xiàn)非侵入性測(cè)量(如圖1所示)。
 
使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾
圖1:將探頭耦合到輸出電感器來(lái)探測(cè)典型物聯(lián)網(wǎng)板板載DC-DC電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的波形。電感器采用相對(duì)較大的圓形封裝,所以很容易識(shí)別。如圖所示,探頭應(yīng)擺平,以實(shí)現(xiàn)最大耦合。
 
檢測(cè)開(kāi)關(guān)波形上的振鈴很重要,因?yàn)檎疋忣l率可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射特性中的寬峰值。磁場(chǎng)探頭快速而安全,因?yàn)樗恍枰苯舆B接到電路,只需耦合到DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電感器即可。
 
Rohde&Schwarz HZ-15近場(chǎng)探頭套件包括幾個(gè)磁場(chǎng)探頭(或環(huán))。由于想要耦合的是走線和元件中的電流,因此采用了這個(gè)類(lèi)型。最大的那個(gè)探頭太敏感,分辨率太低,不足以隔離發(fā)射源。另一個(gè)直徑約1厘米的較小探頭(型號(hào)RS H 50-1),適合在板級(jí)識(shí)別和探測(cè)EMI。簡(jiǎn)單地將探頭連接到50Ω示波器輸入端,進(jìn)行調(diào)整,可以獲得顯示良好的波形。
 
[編者注:Beehive、Com-Power、ETS-Lindgren、Keysight Technologies、Langer EMV、TekBox、Tektronix等公司均提供EMI探頭套件。]
 
我們用數(shù)學(xué)方法來(lái)驗(yàn)證這種特征化測(cè)量(如圖2所示)。在電感器和磁場(chǎng)探頭之間可能存在某個(gè)未知的互耦因子(即下面等式中的M)。由于我們不知道該互耦因子到底是多少,所以無(wú)法對(duì)振幅與示波器探頭實(shí)際測(cè)量的值進(jìn)行比較。因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是EMI,所以在這里主要關(guān)注上升時(shí)間、一般開(kāi)關(guān)波形和振鈴頻率(如果有的話)。
 
使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾
圖2:DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電感器的開(kāi)關(guān)波形(SW)通過(guò)互感(M)耦合到磁場(chǎng)探頭。
 
DC-DC轉(zhuǎn)換器通常具有準(zhǔn)方波信號(hào)(VL),從轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)和輸出電感器(L)輸入流到地回路,這就是我們要用示波器探頭進(jìn)行測(cè)量的信號(hào)。通過(guò)電感的電流與電壓的關(guān)系如下:
 
使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾
 
假設(shè)磁場(chǎng)探頭靠近電感器,得到一些互耦,M(未知),探頭的輸出是:
 
使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾
 
合并前面兩個(gè)公式,得出:
 
使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾
 
然后提出常數(shù)M/L,得出VOUT∝V。
 
由于VOUT與VL成正比,因此可以輕松快速地測(cè)量最重要的EMI特性,而不會(huì)與示波器探針產(chǎn)生連接短路。將磁場(chǎng)探頭靠近每個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電感器,可以測(cè)量上升時(shí)間(表示諧波頻率的上限)、脈沖寬度和周期(也考慮諧波頻率),以及振鈴頻率(在寬帶頻譜中會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)寬諧振峰值)。
 
圖3和圖4比較了帶寬為GHz的RT-ZS20 1.5示波器探頭(帶短探針)和RS H 50-1磁場(chǎng)探頭的開(kāi)關(guān)波形特性。除振幅外,測(cè)量結(jié)果類(lèi)似。
 
使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾
圖3:使用耦合磁場(chǎng)探頭(上部跡線)和直連單端探頭(下部跡線)測(cè)量典型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電感,顯示了相似的波形。但使用磁場(chǎng)探頭可以快速測(cè)量上升時(shí)間、周期和振鈴,而沒(méi)有電路短路的風(fēng)險(xiǎn)。
 
使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾
圖4:DC-DC轉(zhuǎn)換器的振鈴測(cè)量,可能在8MHz時(shí)產(chǎn)生EMI寬峰值(加上高次諧波)。
 
將同樣的磁場(chǎng)探頭連接到Siglent SSA 3032X頻譜分析儀,其起始和終止頻率分別為1和500MHz,且具有120kHz的分辨率帶寬,結(jié)果在寬帶頻譜內(nèi)得到8MHz諧振峰值(如圖5所示)。
 
使用近場(chǎng)探頭探測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電磁干擾
圖5:DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的寬帶頻譜在Marker1處顯示出8MHz諧振峰值。
 
在我見(jiàn)過(guò)的許多案例中,振鈴頻率很容易發(fā)生在100MHz左右,引起發(fā)射頻譜的寬峰值,在這種情況下,如果耦合到天線狀結(jié)構(gòu)(通常是電纜),則可能導(dǎo)致EMI故障。
 
 
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