開關穩壓器的EMI分為電磁輻射和傳導輻射（CE）。本文重點討論傳導輻射，其可進一步分為兩類：共模（CM）噪聲和差模（DM）噪聲。為什麼要區分CM-DM？對CM噪聲有效的EMI抑制技術不一定對DM噪聲有效，反之亦然，因此，確定傳導輻射的來源可以節省花在抑制噪聲上的時間和金錢。本文介紹一種將CM輻射和DM輻射從LTC7818控制的開關穩壓器中分離出來的實用方法。知道CM噪聲和DM噪聲在CE頻譜中出現的位置，電源設計人員便可有效應用EMI抑制技術，這從長遠來看可以節省設計時間和BOM成本。
圖1。 降壓轉換器中的CM噪聲路徑和DM噪聲路徑
圖1顯示了典型降壓轉換器的CM噪聲和DM噪聲路徑。DM噪聲在電源線和返回線之間產生，而CM噪聲是透過雜散電容CSTRAY在電源線和接地層（例如銅測試臺）之間產生。用於CE測量的LISN位於電源和降壓轉換器之間。LISN本身不能用於直接測量CM和DM噪聲，但它確實能測量電源和返回電源線噪聲——分別為圖1中的V1和V2。這些電壓是在50Ω電阻上測得的。根據CM和DM噪聲的定義，如圖1所示，V1和V2可以分別表示為CM電壓（VCM）和DM電壓（VDM）的和與差。因此，V1和V2的平均值就是VCM，而V1和V2之差的一半就是VDM。
測量CM噪聲和DM噪聲
T型功率合成器是一種無源器件，可將兩個輸入訊號合成為一個埠輸出。0°合成器在輸出埠產生輸入訊號的向量和，而180°合成器產生輸入訊號的向量差1。因此，0°合成器可用於產生VCM，180°合成器產生VDM。
圖2所示的兩個合成器ZFSC-2-1W+ （0°）和ZFSCJ-2-1+ （180°）來自Mini-Circuits，用於測量1 MHz至108 MHz的VCM和VDM。對於這些器件，頻率低於1 MHz時測量誤差會增大。對於較低頻率的測量，應使用其他合成器，例如ZMSC-2-1+ （0°）和ZMSCJ-2-2 （180°）。
圖2。 0°和180°合成器
圖3。 用於測量（a） VCM和（b） VDM的實驗裝置
圖4。 用於測量CM噪聲和DM噪聲的測試設定
測試設定如圖3所示。功率合成器已新增到標準CE測試設定中。LISN針對電源線和返回線的輸出分別連線到合成器的輸入埠1和輸入埠2。0°合成器的輸出電壓為VS_CM = V1 + V2；180°合成器的輸出電壓為V S_DM = V1 – V2。
合成器的輸出訊號VS_CM和VS_DM必須在測試接收器中處理，以產生VCM和VDM。首先，功率合成器已指定接收器中補償的插入損耗。其次，由於VCM = 0。5 VS_CM且VDM = 0。5 VS_DM，因此測試接收器從接收到的訊號中再減去6 dBμV。補償這兩個因素之後，在測試接收器中讀出測得的CM噪聲和DM噪聲。
CM噪聲和DM噪聲測量的實驗驗證
使用一個裝有雙降壓轉換器的標準演示板來驗證此方法。演示板的開關頻率為2。2 MHz，VIN = 12 V，VOUT1 = 3。3 V，IOUT1 = 10 A，VOUT2 = 5 V，IOUT2 = 10 A。圖4顯示了EMI室中的測試設定。
圖5和圖6顯示了測試結果。在圖5中，較高EMI曲線表示使用標準CISPR 25設定測得的總電壓法CE，而較低輻射曲線表示新增0°合成器後測得的分離CM噪聲。在圖6中，較高輻射曲線表示總CE，而較低EMI曲線表示新增180°合成器後測得的分離DM噪聲。這些測試結果符合理論分析，表明DM噪聲在較低頻率範圍內占主導地位，而CM噪聲在較高頻率範圍內占主導地位。
圖5。 測得的CM噪聲與總噪聲的關係
圖6。測得的DM噪聲與總噪聲的關係
調整後的演示板符合CISPR 25 Class 5標準
根據測量結果，在30 MHz至108 MHz範圍，總輻射噪聲超過了CISPR 25 Class 5的限值。透過分離CM和DM噪聲測量，發現此範圍內的高傳導輻射似乎是由CM噪聲引起的。新增或增強DM EMI濾波器或以其他方式降低輸入紋波幾乎沒有意義，因為這些抑制技術不會降低該範圍內引發問題的CM噪聲。
因此，該演示板展示了專門解決CM噪聲的辦法。CM噪聲的來源之一是開關電路中的高dV/dt訊號。透過增加柵極電阻來降低dV/dt，可以降低該噪聲電平。如前所述，CM噪聲透過雜散電容CSTRAY穿過LISN。CSTRAY越小，在LISN中檢測到的CM噪聲就越低。為了減小CSTRAY，應減少此演示板上開關節點的覆銅面積。此外，轉換器輸入端添加了一個CM EMI濾波器，以獲得高CM阻抗，從而降低進入LISN的CM噪聲。透過實施這些辦法，30 MHz至108 MHz範圍的噪聲得以充分降低，從而符合CISPR 25 Class 5標準，如圖7所示。
圖7。 總噪聲得到改善
結論
本文介紹了一種用於測量和分離總傳導輻射中的CM噪聲和DM噪聲的實用方法，並透過測試結果進行了驗證。如果設計人員能夠分離CM和DM噪聲，便可實施專門針對CM或DM的減輕解決方案來有效抑制噪聲。總之，這種方法有助於快速找到EMI故障的根本原因，節省EMI設計的時間。