小功率便携式音频产品的辐射发射超标对策

2014-04-10 18:17:39来源: EEWORLD

摘要

    小功率便携式电子产品目前常用锂电池和 Boost(Buck)芯片给 MCU、Audio 以及显示屏等器件供电。此类产品通常使用适配器供电,设计要求充电部分工作时,必须通过测试并符合 EMC标准。一般来说,为了提高系统工作效率,锂电池充电芯片都是基于开关工作方式,类似一个开关电源,另外,可能其他的开关电源芯片在同时工作,器件均为开关工作方式,提高了工作效率,同时引入了辐射问题,这也是电子产品设计过程中的常见问题。本文基于一个产品设计实例(用 BQ24133 单电池充电电路和LM3478 升压电路),对设计过程中曾经遇到的辐射难题进行了详尽的分析。确定骚扰源,找出耦合路径,最终给出解决问题的方法,以供大家作参考。

内容

便携式音频产品电源系统介绍

1.1 背景

    实际的产品开发中,便携式产品的 EMI 测试是用适配器给产品充电,有其他外接设备连接也需要在测试时接上。下面以一个实际产品的开发为例,说明这类产品设计的 EMI 设计要注意的问题,以及遇到辐射发射超标,如何来分析问题产生的原因。并找出解决问题的办法。

1.2 音频产品供电回路

    如下图 1 是一个 Audio 产品的电源部分的原理图,这个产品有一个 charger 芯片 BQ24133,在这个应用中设置最大充电电流 2A。有一个 Boost 芯片 LM3478,把电池电压升压到 10V 给 Audio 芯片供电,满载电流 1A,另外一个 Boost 芯片 LM3478,把电池电压升到 5V,给 iphone 或者 ipad 充电,最大电流2A。适配器的直流输出线规格是 1.5 米,手机充电的电源线约 0.5 米,整个 PCB 板面积大概12mm×8mm,设计为两层板。

图 1:Audio 供电回路图

2. EMI 问题分析

2.1 EMI 问题的产生

    这类便携式产品要求通过标准 EN55022,Class B。这个产品的初版样机在辐射发射测试时(未接手机),辐射发射 30M 到 300M 频段严重超标,在 200MHZ 左右,超标 20DB 以上。

2.2 分析辐射发射超标的原因:

    首先,先分析辐射超标产生的原因,我们知道 EMC 三要素,骚扰源,耦合路径和敏感设备。这个产品中开关方式工作的器件无疑是骚扰源,也就是 BQ24133(开关频率1.6MHZ)和两个 LM3478(开关频率400KHZ)。再看耦合路径,30M 到 300M 频段对应的波长是一米到十米,如果要发射一定波长的电磁波,需要一根发射天线,成为天线的必要条件是长度至少要大于波长的二十分之一,当天线是电磁波半波长的整数倍时,发射功率最大。满足以上条件能成为天线的导线就是几根外接线,最有可能的是适配器的直流电源线和地线。分析 layout 设计,发现产品设计时,只用了一个地,在整个 PCB 的两层均大面积铺地,并且与适配器的地线连接在一起,加上手机的充电导线,构成一根超过两米长的地线。另外BQ24133 充电电路和两个 LM3478 的升压电路底下也是大面积的铺地,造成高频干扰直接耦合到地平面,通过长的地线发射出来。

3. 解决问题的办法:

    针对以上分析,做了整改。由于是便携式音频设备,没有 PE 线,无法使用 Y 电容,客户也不希望使用共模电感增加成本,所以主要优化 layout。采取了以下措施:

3.1 Layout 注意事项:

1)将每个电源回路梳理,将模拟地和数字地分开,每个单元电路不要相互交叉。BQ24133 的数字地和模拟地分开走线,在芯片下通过一个 0 欧姆电阻的单点接。另外,BQ24133 的功率地最好跟整个产品的地适当分割,单点连接。

2)减小谐波回路面积,对 LM3478,如图,MOS 管开通时,Cin,L 和 MOS 构成一个回路对电感充电,请看图 2(a)的 Cycle1。MOS 管关断时,Cin,L,D,Cout 构成另一个回路对电感放电,请看图 2(b)中的 Cycle2。对于二极管 D,交替工作在正向导通和反向截止的状态,因此,有很高的反向恢复尖峰电压,需要在二极管两端加 Snubber 电路来抑制这个尖峰电压,以避免产生过大的共模噪声。这两个回路的工作频率是 MOS 的开关频率,谐波分量大,布板时要尽量减小谐波回路的面积。要把这两个功率回路的器件靠近放置,走大铜皮宽走线,减小开关频率谐波的回路阻抗

图 2:LM3478 工作原理图

    BQ24133 实质是一个 Buck 回路。也有类似的问题。请看图 3,BQ24133 工作原理图,输入电容C1,整流管开通,续流管关断,整流管电感和负载构成一个高频回路,有很高的 dI/dT。另外,整流管关断,续流管开通时,电感电流通过续流管续流(在重载时续流管工作在电感电流连续模式), 电感电流没有减小到零时整流管又会开通,这是续流管被强制加反向电压而截止,产生很高的反向恢复电压尖峰(虽然是同步整流,由于死区的存在,死区时间内仍然是二极管整流),这会导致比较大的共模噪声,所以需要在 SW 对 PGND 加 Snubber 电路来抑制续流管的反向尖峰。因此,输入滤波电容 C1、电感 L1 和输出滤波电容 C2 应尽量靠近芯片布置,减小高频回路面积。功率回路走线应走大铜皮宽走线,减小谐波阻抗,最好都布置在 PCB 的同层,Snubber 放置在紧靠下管的位置。

图 3:BQ24133 高频电流回路图

    总的来说,LM3478 和 BQ24133 的输入输出走整块大铜皮,将输入电容和输出电容紧靠功率开关管,使回路围成的面积最小。选择 ESR 较小的电容,由于成本原因,这类产品用的电容都比较差,这个项目原来用电解电容,建议多增加些瓷片电容组合使用,这样在低成本下获得好的效果。这样使输入输出的开关频率的谐波回路尽量小,谐波阻抗尽量小,可以减小回路对外的辐射干扰。

3) 上面提到在 BQ24133 的下管加 Snubber 电路(加在 SW 和 PGND 之间),在 LM3478 的续流二极管加 Snubber 电路。Snubber 电路紧贴开关管管脚,加宽走线,高频谐波就近旁路。 首先可以先预放一个 2-3ohm 的电阻,电容取 500-1000pF。在辐射测试中,如果裕量不足或者超规格,就适当增加 RC,以吸收更多的高频能量,如果裕量过大,应减小 RC 的值以提高效率。

4) 对于两层板来说,将电感和 MOS 等功率器件和功率器件之间走线下面的 GND 铜皮去掉或者减小。降低开关管到 GND 的分布电容,减小共模耦合。

3.2 其他注意事项

3.2.1 布局

    一般来说,如果条件允许,尽可能把电源回路跟其他电路在布局上适当分开。例如,把电源类器件布置在 PCB 左侧,跟其他电路适当留隔离带。输出线和端子尽量远离开关管,电感等器件。在谐波较大的回路上,注意 PCB 走线避免用锐角,尽量倒钝角或走圆角。

3.2.2 共模电感的使用

    对于多节电池,充电功率增加,电池输出线尽量减小长度,避免电池线变成辐射天线。另外,可考虑适当增加共模电感来抑制电池线共模干扰。

3.2.3 测试注意事项
    建议客户辐射测试时用蓄电池加 1.5 米线做输入源,排除 Adapter 造成的干扰。另外,测试中调整 Snubber 参数,在效率和 EMI 中取得一个平衡点,RC 的值不能加的过大,以免导致 IC 过热。所以,干扰源噪声比较大时,要考虑多种措施同时使用,以取得最优的效果。

4.结论:

    经过整改后,优化了 layout,顺利通过了辐射测试。从这个项目,总结一些经验。首先,确定骚扰源和发射天线,增加 Snubber 电路吸收骚扰源的高频谐波。其次, 判断耦合路径,重点通过优化 layout,使谐波就近通过电容旁路,减少骚扰源的高频骚扰到外接长线的耦合。EMC 设计的本质,就是如何处理好谐波的问题。

关键字:便携式音频

编辑:刘东丽 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0410/article_32215.html
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