使用近场探头探测DC-DC转换器电磁干扰

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板载DC-DC转换器产生的电磁干扰（EMI）是物联网产品的常见问题。这些小电路通常在1MHz和3MHz之间以亚纳秒级边缘速率快速切换，结果产生超过2GHz的宽带EMI。EMI会影响敏感接收器电路的灵敏度，尤其是蜂窝和全球导航卫星系统（GNSS）。

测量DC-DC转换器EMI性能的一种有效方式是在时域中使用小型磁场（H-field）探头测量上升时间和振铃。通过将磁场探头耦合到转换器输出电感器，即可实现非侵入性测量（如图1所示）。


图1：将探头耦合到输出电感器来探测典型物联网板板载DC-DC电源转换器产生的波形。电感器采用相对较大的圆形封装，所以很容易识别。如图所示，探头应摆平，以实现最大耦合。

检测开关波形上的振铃很重要，因为振铃频率可以转变为发射特性中的宽峰值。磁场探头快速而安全，因为它不需要直接连接到电路，只需耦合到DC-DC转换器输出电感器即可。

Rohde＆Schwarz HZ-15近场探头套件包括几个磁场探头（或环）。由于想要耦合的是走线和元件中的电流，因此采用了这个类型。最大的那个探头太敏感，分辨率太低，不足以隔离发射源。另一个直径约1厘米的较小探头（型号RS H 50-1），适合在板级识别和探测EMI。简单地将探头连接到50Ω示波器输入端，进行调整，可以获得显示良好的波形。

[编者注：Beehive、Com-Power、ETS-Lindgren、Keysight Technologies、Langer EMV、TekBox、Tektronix等公司均提供EMI探头套件。]

我们用数学方法来验证这种特征化测量（如图2所示）。在电感器和磁场探头之间可能存在某个未知的互耦因子（即下面等式中的M）。由于我们不知道该互耦因子到底是多少，所以无法对振幅与示波器探头实际测量的值进行比较。因为我们的目标是EMI，所以在这里主要关注上升时间、一般开关波形和振铃频率（如果有的话）。

图2：DC-DC转换器输出电感器的开关波形(SW)通过互感(M)耦合到磁场探头。

DC-DC转换器通常具有准方波信号(VL)，从转换器开关节点(SW)和输出电感器(L)输入流到地回路，这就是我们要用示波器探头进行测量的信号。通过电感的电流与电压的关系如下：



假设磁场探头靠近电感器，得到一些互耦，M（未知），探头的输出是：



合并前面两个公式，得出：



然后提出常数M/L，得出VOUT∝V。

由于VOUT与VL成正比，因此可以轻松快速地测量最重要的EMI特性，而不会与示波器探针产生连接短路。将磁场探头靠近每个DC-DC转换器电感器，可以测量上升时间（表示谐波频率的上限）、脉冲宽度和周期（也考虑谐波频率），以及振铃频率（在宽带频谱中会导致出现宽谐振峰值）。

图3和图4比较了带宽为GHz的RT-ZS20 1.5示波器探头（带短探针）和RS H 50-1磁场探头的开关波形特性。除振幅外，测量结果类似。


图3：使用耦合磁场探头（上部迹线）和直连单端探头（下部迹线）测量典型物联网设备的DC-DC转换器输出电感，显示了相似的波形。但使用磁场探头可以快速测量上升时间、周期和振铃，而没有电路短路的风险。

图4：DC-DC转换器的振铃测量，可能在8MHz时产生EMI宽峰值（加上高次谐波）。

将同样的磁场探头连接到Siglent SSA 3032X频谱分析仪，其起始和终止频率分别为1和500MHz，且具有120kHz的分辨率带宽，结果在宽带频谱内得到8MHz谐振峰值（如图5所示）。


图5：DC-DC转换器产生的宽带频谱在Marker1处显示出8MHz谐振峰值。

在我见过的许多案例中，振铃频率很容易发生在100MHz左右，引起发射频谱的宽峰值，在这种情况下，如果耦合到天线状结构（通常是电缆），则可能导致EMI故障。