板載DC-DC轉換器產生的電磁干擾(EMI)是物聯網(IoT)產品的常見問題。這些小電路通常在1MHz和3MHz之間以次奈秒級(ns)的邊緣速率快速切換,結果產生超過2GHz的寬頻EMI。EMI會影響敏感接收器電路的靈敏度,尤其是蜂巢式和全球導航衛星系統(GNSS)。

測量DC-DC轉換器EMI性能的一種有效方式是在時域中使用小型磁場(H-field)探頭測量上升時間和振鈴。透過將磁場探頭耦合到轉換器輸出電感器,即可實現非侵入式測量(如圖1所示)。


圖1:將探頭耦合到輸出電感器來探測典型物聯網板載DC-DC電源轉換器產生的波形。電感器採用相對較大的圓形封裝,所以很容易辨識。如圖所示,探頭應擺平,以實現最大耦合。

檢測開關波形上的振鈴很重要,因為振鈴頻率可以轉變為發射特性中的寬峰值。磁場探頭快速而安全,因為它不需要直接連接到電路,只需耦合到DC-DC轉換器輸出電感器即可。

例如,Rohde&Schwarz HZ-15近場探頭套件包括幾個磁場探頭(或環)。探頭類型主要根據根據要耦合的是軌跡線中的電流還是元件中的電流來確定的。最大的探頭太敏感、解析度太低不足以隔離發射源。另一個直徑約1公分的較小探頭(型號RS H 50-1),適合在板級辨識和測量EMI。簡單地將探頭連接到50Ω的示波器輸入端,並進行調整,即可獲得顯示良好的波形。

[編注:Beehive、Com-Power、ETS-Lindgren、Keysight Technologies、Langer EMV、TekBox、Tektronix等公司均提供EMI探頭套件。]

我們用數學方法來驗證這種特性化測量(如圖2所示)。在電感器和磁場探頭之間可能存在未知的互耦因數(即下面等式中的M)。由於我們不知道該互耦因數到底是什麼,所以振幅無法與示波器探頭的實際測量值進行比較。因為我們的目標是EMI,所以在這裡主要關注上升時間、一般開關波形和振鈴頻率。


圖2:DC-DC轉換器輸出電感器與通過互感(M)耦合的磁場探頭之間的開關波形(SW)。

DC-DC轉換器通常有一個近方波訊號(VL),它來自轉換器開關節點(SW)和連到接地返回的輸出電感器(L),應該就是我們要用示波器探頭進行測量的訊號。通過電感的電流與電壓的關係如下:

20190806_EMI_TA31eq1

假設磁場探頭靠近電感器,得到互耦因數M(未知),則探頭的輸出是:

20190806_EMI_TA31eq2

合併前面兩個公式,得出:

20190806_EMI_TA31eq3

然後分解常數M/L,得出VOUT∝V。

由於VOUT與VL成正比,因此可以輕鬆且快速地測量最重要的EMI特性,而不會與示波器探針產生連接短路。將磁場探頭靠近每個DC-DC轉換器電感器,可以測量上升時間(表示諧波頻率的上限)、脈衝寬度和週期(也考慮諧波頻率)和振鈴頻率(在寬頻頻譜中會導致出現寬諧振峰值)。

圖3圖4比較了RT-ZS20 1.5GHz頻寬示波器探頭(帶短探針)和RS H 50-1磁場探頭的開關波形特性。除了振幅外,測量結果可以進行比較。


圖3:使用耦合磁場探頭(上部軌跡線)和直連單端探頭(下部軌跡線)測量典型物聯網裝置的DC-DC轉換器輸出電感,顯示了相似的波形。但使用磁場探頭可以快速測量上升時間、週期和振鈴,而不會有電路短路的風險。

使用耦合磁場探頭(上部軌跡線)和直連單端探頭(下部軌跡線)測量典型物聯網裝置的DC-DC轉換器輸出電感,顯示了相似的波形。但使用磁場探頭可以快速測量上升時間、週期和振鈴,而不會有電路短路的風險。


圖4:DC-DC轉換器的振鈴測量,可能在8MHz時產生EMI寬峰值(加上高階諧波)。

將相同的磁場探頭連接到Siglent SSA 3032X頻譜分析儀,其啟動和停止頻率分別為1和500MHz,且具有120kHz的解析度頻寬,結果在寬頻頻譜內得到8MHz諧振峰值(如圖5所示)。


圖5:DC-DC轉換器產生的寬頻頻譜在Marker1處顯示8MHz諧振峰值。

在我見過的許多案例中,振鈴頻率很容易發生在100MHz左右,引起發射頻譜的寬峰值,在這種情況下,如果耦合到天線狀結構(通常是電纜),則可能導致EMI故障。

(參考原文: Characterize DC-DC converter EMI with near-field probes,by Kenneth Wyatt)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年8月號