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作者: Roger Ding 小功率便攜式電子產品目前常用鋰電池和Boost(Buck)芯片給MCU、Audio以及顯示屏等器件供電。此類產品通常使用適配器供電，設計要求充電部分工作時，必須通過測試并符合 EMC標準。一般來說，為了提高系統工作效率，鋰電池充電芯片都是基于開關工作方式，類似一個開關電源，另外，可能其他的開關電源芯片在同時工作，器件均為開關工作方式，提高了工作效率，同時引入了輻射問題，這也是電子產品設計過程中的常見問題。本文基于一個產品設計實例（用BQ24133單電池充電電路和LM3478升壓電路），對設計過程中曾經遇到的輻射難題進行了詳盡的分析。確定騷擾源，找出耦合路徑，最終給出解決問題的方法，以供大家作參考。 1. 便攜式音頻產品電源系統介紹 1.1 背景 實際的產品開發中，便攜式產品的EMI測試是用適配器給產品充電，有其他外接設備連接也需要在測試時接上。下面以一個實際產品的開發為例，說明這類產品設計的EMI設計要注意的問題，以及遇到輻射發射超標，如何來分析問題產生的原因。并找出解決問題的辦法。 1.2 音頻產品供電回路 如下圖1是一個Audio產品的電源部分的原理圖,這個產品有一個charger芯片BQ24133，在這個應用中設置最大充電電流2A。有一個Boost芯片LM3478，把電池電壓升壓到10V給Audio 芯片供電，滿載電流1A，另外一個Boost芯片LM3478，把電池電壓升到5V，給iphone或者 ipad充電，最大電流2A。適配器的直流輸出線規格是1.5米，手機充電的電源線約0.5米，整個PCB板面積大概12mm×8mm，設計為兩層板。 
圖1：Audio供電回路圖 2. EMI問題分析 2.1 EMI問題的產生 這類便攜式產品要求通過標準EN55022，Class B。這個產品的初版樣機在輻射發射測試時（未接手機），輻射發射30M到300M頻段嚴重超標，在200MHZ左右，超標20DB以上。 2.2 分析輻射發射超標的原因: 首先，先分析輻射超標產生的原因，我們知道EMC三要素，騷擾源，耦合路徑和敏感設備。這個產品中開關方式工作的器件無疑是騷擾源，也就是BQ24133(開關頻率1.6MHZ)和兩個 LM3478（開關頻率400KHZ）。再看耦合路徑，30M到300M頻段對應的波長是一米到十米，如果要發射一定波長的電磁波，需要一根發射天線，成為天線的必要條件是長度至少要大于波長的二十分之一，當天線是電磁波半波長的整數倍時，發射功率最大。滿足以上條件能成為天線的導線就是幾根外接線，最有可能的是適配器的直流電源線和地線。分析layout 設計，發現產品設計時，只用了一個地，在整個PCB的兩層均大面積鋪地，并且與適配器的地線連接在一起，加上手機的充電導線，構成一根超過兩米長的地線。另外BQ24133充電電路和兩個LM3478的升壓電路底下也是大面積的鋪地，造成高頻干擾直接耦合到地平面，通過長的地線發射出來。 3. 解決問題的辦法: 針對以上分析，做了整改。由于是便攜式音頻設備，沒有PE線，無法使用Y電容，客戶也不希望使用共模電感增加成本，所以主要優化layout。采取了以下措施： 3.1 Layout注意事項： 1)將每個電源回路梳理，將模擬地和數字地分開，每個單元電路不要相互交叉。BQ24133 的數字地和模擬地分開走線，在芯片下通過一個0歐姆電阻的單點接。另外，BQ24133的功率地最好跟整個產品的地適當分割，單點連接。 2)減小諧波回路面積，對LM3478，如圖，MOS管開通時，Cin，L和MOS構成一個回路對電感充電，請看圖2（a）的Cycle1。MOS管關斷時，Cin，L，D，Cout構成另一個回路對電感放電，請看圖2（b）中的 Cycle2。對于二極管D，交替工作在正向導通和反向截止的狀態，因此，有很高的反向恢復尖峰電壓，需要在二極管兩端加Snubber電路來抑制這個尖峰電壓，以避免產生過大的共模噪聲。這兩個回路的工作頻率是MOS的開關頻率，諧波分量大，布板時要盡量減小諧波回路的面積。要把這兩個功率回路的器件靠近放置，走大銅皮寬走線，減小開關頻率諧波的回路阻抗。
圖2：LM3478工作原理圖 BQ24133實質是一個Buck回路。也有類似的問題。請看圖3，BQ24133工作原理圖，輸入電容C1，整流管開通，續流管關斷，整流管電感和負載構成一個高頻回路，有很高的dI/dT。另外，整流管關斷，續流管開通時，電感電流通過續流管續流（在重載時續流管工作在電感電流連續模式）， 電感電流沒有減小到零時整流管又會開通，這是續流管被強制加反向電壓而截止，產生很高的反向恢復電壓尖峰（雖然是同步整流，由于死區的存在，死區時間內仍然是二極管整流），這會導致比較大的共模噪聲，所以需要在SW對PGND加Snubber電路來抑制續流管的反向尖峰。因此，輸入濾波電容C1、電感L1和輸出濾波電容C2應盡量靠近芯片布置，減小高頻回路面積。功率回路走線應走大銅皮寬走線，減小諧波阻抗，最好都布置在PCB的同層，Snubber放置在緊靠下管的位置。
圖3：BQ24133高頻電流回路圖 總的來說，LM3478和BQ24133的輸入輸出走整塊大銅皮，將輸入電容和輸出電容緊靠功率開關管，使回路圍成的面積最小。選擇ESR較小的電容，由于成本原因，這類產品用的電容都比較差，這個項目原來用電解電容，建議多增加些瓷片電容組合使用，這樣在低成本下獲得好的效果。這樣使輸入輸出的開關頻率的諧波回路盡量小，諧波阻抗盡量小，可以減小回路對外的輻射干擾。 3) 上面提到在BQ24133的下管加Snubber電路（加在SW和PGND之間），在LM3478的續流二極管加Snubber電路。Snubber電路緊貼開關管管腳，加寬走線，高頻諧波就近旁路。 首先可以先預放一個2-3ohm的電阻，電容取500-1000pF。在輻射測試中，如果裕量不足或者超規格，就適當增加RC，以吸收更多的高頻能量，如果裕量過大，應減小RC的值以提高效率。 4) 對于兩層板來說，將電感和MOS等功率器件和功率器件之間走線下面的GND銅皮去掉或者減小。降低開關管到GND的分布電容，減小共模耦合。 3.2 其他注意事項 3.2.1 布局 一般來說，如果條件允許，盡可能把電源回路跟其他電路在布局上適當分開。例如，把電源類器件布置在PCB左側，跟其他電路適當留隔離帶。輸出線和端子盡量遠離開關管，電感等器件。在諧波較大的回路上，注意PCB走線避免用銳角，盡量倒鈍角或走圓角。 3.2.2 共模電感的使用 對于多節電池，充電功率增加，電池輸出線盡量減小長度，避免電池線變成輻射天線。另外，可考慮適當增加共模電感來抑制電池線共模干擾。 3.2.3 測試注意事項 建議客戶輻射測試時用蓄電池加1.5米線做輸入源，排除Adapter造成的干擾。另外，測試中調整Snubber參數，在效率和EMI中取得一個平衡點,RC的值不能加的過大，以免導致IC 過熱。所以，干擾源噪聲比較大時，要考慮多種措施同時使用，以取得最優的效果。 4.結論： 經過整改后，優化了layout，順利通過了輻射測試。從這個項目，總結一些經驗。首先，確定騷擾源和發射天線，增加Snubber電路吸收騷擾源的高頻諧波。其次， 判斷耦合路徑，重點通過優化layout，使諧波就近通過電容旁路，減少騷擾源的高頻騷擾到外接長線的耦合。EMC設計的本質，就是如何處理好諧波的問題。 |
