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作者: Roger Ding 小功率便攜式電子產(chǎn)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(chǎn)品通常使用適配器供電，設(shè)計(jì)要求充電部分工作時(shí)，必須通過測試并符合 EMC標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，為了提高系統(tǒng)工作效率，鋰電池充電芯片都是基于開關(guān)工作方式，類似一個(gè)開關(guān)電源，另外，可能其他的開關(guān)電源芯片在同時(shí)工作，器件均為開關(guān)工作方式，提高了工作效率，同時(shí)引入了輻射問題，這也是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的常見問題。本文基于一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例（用BQ24133單電池充電電路和LM3478升壓電路），對(duì)設(shè)計(jì)過程中曾經(jīng)遇到的輻射難題進(jìn)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(chǎn)品電源系統(tǒng)介紹 1.1 背景 實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)中，便攜式產(chǎn)品的EMI測試是用適配器給產(chǎn)品充電，有其他外接設(shè)備連接也需要在測試時(shí)接上。下面以一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)為例，說明這類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的EMI設(shè)計(jì)要注意的問題，以及遇到輻射發(fā)射超標(biāo)，如何來分析問題產(chǎn)生的原因。并找出解決問題的辦法。 1.2 音頻產(chǎn)品供電回路 如下圖1是一個(gè)Audio產(chǎn)品的電源部分的原理圖,這個(gè)產(chǎn)品有一個(gè)charger芯片BQ24133，在這個(gè)應(yīng)用中設(shè)置最大充電電流2A。有一個(gè)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(gè)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(guī)格是1.5米，手機(jī)充電的電源線約0.5米，整個(gè)PCB板面積大概12mm×8mm，設(shè)計(jì)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(chǎn)生 這類便攜式產(chǎn)品要求通過標(biāo)準(zhǔn)EN55022，Class B。這個(gè)產(chǎn)品的初版樣機(jī)在輻射發(fā)射測試時(shí)（未接手機(jī)），輻射發(fā)射30M到300M頻段嚴(yán)重超標(biāo)，在200MHZ左右，超標(biāo)20DB以上。 2.2 分析輻射發(fā)射超標(biāo)的原因: 首先，先分析輻射超標(biāo)產(chǎn)生的原因，我們知道EMC三要素，騷擾源，耦合路徑和敏感設(shè)備。這個(gè)產(chǎn)品中開關(guān)方式工作的器件無疑是騷擾源，也就是BQ24133(開關(guān)頻率1.6MHZ)和兩個(gè) LM3478（開關(guān)頻率400KHZ）。再看耦合路徑，30M到300M頻段對(duì)應(yīng)的波長是一米到十米，如果要發(fā)射一定波長的電磁波，需要一根發(fā)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(dāng)天線是電磁波半波長的整數(shù)倍時(shí)，發(fā)射功率最大。滿足以上條件能成為天線的導(dǎo)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(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，只用了一個(gè)地，在整個(gè)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(jī)的充電導(dǎo)線，構(gòu)成一根超過兩米長的地線。另外BQ24133充電電路和兩個(gè)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(fā)射出來。 3. 解決問題的辦法: 針對(duì)以上分析，做了整改。由于是便攜式音頻設(shè)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(yōu)化layout。采取了以下措施： 3.1 Layout注意事項(xiàng)： 1)將每個(gè)電源回路梳理，將模擬地和數(shù)字地分開，每個(gè)單元電路不要相互交叉。BQ24133 的數(shù)字地和模擬地分開走線，在芯片下通過一個(gè)0歐姆電阻的單點(diǎn)接。另外，BQ24133的功率地最好跟整個(gè)產(chǎn)品的地適當(dāng)分割，單點(diǎn)連接。 2)減小諧波回路面積，對(duì)LM3478，如圖，MOS管開通時(shí)，Cin，L和MOS構(gòu)成一個(gè)回路對(duì)電感充電，請看圖2（a）的Cycle1。MOS管關(guān)斷時(shí)，Cin，L，D，Cout構(gòu)成另一個(gè)回路對(duì)電感放電，請看圖2（b）中的 Cycle2。對(duì)于二極管D，交替工作在正向?qū)ê头聪蚪刂沟臓顟B(tài)，因此，有很高的反向恢復(fù)尖峰電壓，需要在二極管兩端加Snubber電路來抑制這個(gè)尖峰電壓，以避免產(chǎn)生過大的共模噪聲。這兩個(gè)回路的工作頻率是MOS的開關(guān)頻率，諧波分量大，布板時(shí)要盡量減小諧波回路的面積。要把這兩個(gè)功率回路的器件靠近放置，走大銅皮寬走線，減小開關(guān)頻率諧波的回路阻抗。
圖2：LM3478工作原理圖 BQ24133實(shí)質(zhì)是一個(gè)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(xù)流管關(guān)斷，整流管電感和負(fù)載構(gòu)成一個(gè)高頻回路，有很高的dI/dT。另外，整流管關(guān)斷，續(xù)流管開通時(shí)，電感電流通過續(xù)流管續(xù)流（在重載時(shí)續(xù)流管工作在電感電流連續(xù)模式）， 電感電流沒有減小到零時(shí)整流管又會(huì)開通，這是續(xù)流管被強(qiáng)制加反向電壓而截止，產(chǎn)生很高的反向恢復(fù)電壓尖峰（雖然是同步整流，由于死區(qū)的存在，死區(qū)時(shí)間內(nèi)仍然是二極管整流），這會(huì)導(dǎo)致比較大的共模噪聲，所以需要在SW對(duì)PGND加Snubber電路來抑制續(xù)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(yīng)盡量靠近芯片布置，減小高頻回路面積。功率回路走線應(yīng)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(guān)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(chǎn)品用的電容都比較差，這個(gè)項(xiàng)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(guān)頻率的諧波回路盡量小，諧波阻抗盡量小，可以減小回路對(duì)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(xù)流二極管加Snubber電路。Snubber電路緊貼開關(guān)管管腳，加寬走線，高頻諧波就近旁路。 首先可以先預(yù)放一個(gè)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(guī)格，就適當(dāng)增加RC，以吸收更多的高頻能量，如果裕量過大，應(yīng)減小RC的值以提高效率。 4) 對(duì)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(guān)管到GND的分布電容，減小共模耦合。 3.2 其他注意事項(xiàng) 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(dāng)分開。例如，把電源類器件布置在PCB左側(cè)，跟其他電路適當(dāng)留隔離帶。輸出線和端子盡量遠(yuǎn)離開關(guān)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(duì)于多節(jié)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(dāng)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(xiàng) 建議客戶輻射測試時(shí)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(diào)整Snubber參數(shù)，在效率和EMI中取得一個(gè)平衡點(diǎn),RC的值不能加的過大，以免導(dǎo)致IC 過熱。所以，干擾源噪聲比較大時(shí)，要考慮多種措施同時(shí)使用，以取得最優(yōu)的效果。 4.結(jié)論： 經(jīng)過整改后，優(yōu)化了layout，順利通過了輻射測試。從這個(gè)項(xiàng)目，總結(jié)一些經(jīng)驗(yàn)。首先，確定騷擾源和發(fā)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(diǎn)通過優(yōu)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(shè)計(jì)的本質(zhì)，就是如何處理好諧波的問題。 |
