韩晓伟 田晓蓓
摘 要:随着开关电源在手持终端中的广泛应用,以解决电磁兼容问题为目标的电源滤波器设计也受到广泛关注。电源滤波器自身要具有很强的抗电磁干扰能力,限制开关电源与外部供电模块的相互干扰。针对手持终端电源系统开关电源数量多、电源滤波器体积小等特点,分析了滤波器的主要设计指标要求,设计了小型化、高插损滤波器,有效抑制电磁传导和辐射问题,保障电源系统的电磁兼容性要求。
关键词:开关电源;电磁兼容;电源滤波器
中图分类号:TM933 文献标识码:A 文章编号:2096-4706(2023)01-0048-03
Design and EMC Test of a Power Supply Filter Applied in Handhold Terminals
HAN Xiaowei, TIAN Xiaobei
(The 54th Research Institute of CETC, Shijiazhuang 050081, China)
Abstract: With the wide application of switching power supply in handhold terminals, the design of power supply filter aiming at solving the electromagnetic compatibility problem has also been widely concerned. The power supply filter should have strong anti-electromagnetic interference ability, and it can suppress the mutual interference between the switching power supply and the external power supply module. Aiming at the characteristics of the power supply system applied in handhold terminals, such as the large number of switching power supplies and the small size of the power supply filter, the main design parameters and demands of the filter are analyzed, and a miniaturized and high insertion-loss filter is designed to effectively suppress the electromagnetic conduction and radiation problems, which ensure the electromagnetic compatibility of the power system.
Keywords: switching power supply; electromagnetic compatibility; power supply filter
0 引 言
隨着通信技术的发展,小型化、集成化、多模式通信体制融合已经成为手持终端的发展方向[1]。在实现具体技术方案时,因多种通信模式有各自不同的供电需求,现有技术中常采取多个开关电源并联的拓扑结构;因终端小型化要求,无法采用占用空间较大的集成滤波模块,现有技术中常采用分立的电感、电容器件设计模拟滤波电路[2]。多种通信模式并发工作时,跳频频率切换、信道收发切换等操作会频繁切换开关电源通道。开关电源在高频切换过程中会产生浪涌电压和各种高次谐波噪声。这个干扰源会通过传导、辐射和串扰等途径影响自身电路和电源树上的电子设备。多个开关电源并联,各自的开关频率不同、输出电压不同,其叠加产生复杂的电磁干扰信号无法避免[3,4]。在实际测试中RE102电场辐射发射和CE102电源线传导发射经常超标,不能满足电磁兼容性要求。为了防止高频开关电源的干扰传入内部敏感设备,同时防止电源系统受到外部电磁干扰,文中讨论了一种抑制电磁干扰的电源滤波器。
1 电磁兼容性要求
按照相关国家标准,手持终端的电磁兼容性需要满足以下要求:CE102(10 kHz~10 MHz电源线传导发射)、RE102(2 MHz~18 GHz电场辐射发射),具体门限值如表1所示。后文参照该标准门限值设计电源滤波器的相关指标。
2 电磁干扰问题分析
电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰,文中所讨论的滤波器主要针对解决电源线传导干扰问题。本节从两个角度分析手持终端的电磁干扰问题:一是从电源管理系统的架构入手分析电磁干扰的来源;二是按照电磁干扰对负载的影响程度,讨别抑制共模干扰和差模干扰的设计方案。
2.1 开关电源系统架构
手持终端的电源管理系统普遍采用开关电源(Direct Current Direct Current Converter, DC/DC)+低压差线性稳压器(Low Dropout regulator, LDO)双模式供电方案,如图1所示。DC/DC的输入电压范围较宽,升压降压均适用,驱动能力强;LDO适合于降压,瞬态特性好,无EMC问题。
为实现电源管理及功耗控制,各通信模块由独立的DC/DC+LDO供电。更详细的设计方案中,各通信模块的发射通道、接收通道也实现供电链路的解耦合。终端需要用到哪一路供电时,主控芯片控制哪一路开关电源开始工作;不需要用电时,该路开关电源处于睡眠状态。这种架构可显著优化功耗和供电效率,同时会给系统的电磁兼容设计带来新的挑战。一方面,不同通信模式切换、收发信道切换、跳频频率切换要求各自的开关电源频繁进行睡眠状态与工作状态的切换;另一方面,开关电源本身就是一个高频电能转换装置,正常工作中无法避免地产生浪涌电压和各种高次谐波噪声。这个干扰源会通过传导、辐射和串扰等途径影响自身电路和电源树上的电子设备。
2.2 共模干扰与差模干扰
供电电源至少有两根导线作为往返回路输送电力,即正极和负极。实际系统中还有第三根导线,即地线。电压和电流通过导线传输时有两种状态,一种是两根导线分别作为往返回路,这种信号叫差模信号;另一种是两根导线做去路,地线做回路传输,这种信号叫共模信号。如图2所示,共模干扰信号U2、U3为正负极与地线之间的电磁干扰,幅度相等、相位相同;差模干扰信号U1为正负极之间的电磁干扰,幅度相等、相位相反。对于传导干扰而言,U2、U3不直接影响设备,而是通过转化为U1来影响设备。那么在PCB设计时应尽量保证正负极两根线的平衡,避免共模电压转化为差模电压。无法保证平衡的情况下,采用电压滤波的方式滤除共模干扰信号。在设计电压滤波器时分别考虑这两种干扰信号,有针对性地进行滤波抑制。
3 电源滤波电路设计
目前大部分手持终端的电源滤波器架构如图3所示,滤波器由差模电容C1、C3,共模电感Z1,共模电容C2,C4构成[5]。DC_IN和DC_IN_GND分别是外部供电正极和外部供电负极,DC_OUT和DC_OUT_GND分别是终端内部的供电正极和供电负极,将直接供给各开关电源模块。通常情况下,终端共模噪声占电磁干扰噪声的绝大部分,且其范围很宽(覆盖kHz~MHz量级)。电路中采用一级共模电感来抑制共模噪声,采用共模电感的差电感配合差模电容来抑制差模干扰。共模电感的一对绕线电感无法做到等电感值、等阻抗,在抑制共模噪声时无法达到理论计算效果。另外电容在高频时会由容性变为感性,使其高频抑制效果不理想。
综上对现有电源滤波器进行以下改进:
(1)为增强共模干扰抑制效果,在第一级共模电感Z1后再加一级共模电感Z2,两个共模电感配合共模电容完成共模噪声抑制。针对多开关电源并联,各自切换频率和谐振点处噪声较为严重的特点,选择共模电感的感值和衰减值时重点抑制切换频率处的噪声。共模电感的额定电流为终端正常工作电流的2~2.5倍。
(2)增加差模电容,由共模电感线圈的差电感配合差模电容共同完成差模噪声抑制。
(3)经过共模电感、共模电容、差模电容滤波后,增加一个整流二极管V1。在做CS101等敏感度测试过程中,当外加干扰信号的某个频率与系统开关电源的切换频率接近时,二者有发生共振产生电压过冲的风险。电压过冲将导致开关电源的电压纹波失控,影响后级供电电路正常工作。更严重的情况下,外加干扰信号与正常供电叠加后的电压峰值超过开关电源芯片的输入上限,从而造成硬件损坏。为了规避该风险,在供电进入开关电源芯片前增加整流二极管。整流二极管的稳压值为电路正常工作电压的1.2倍,比如正常供电电压是12 V,那么稳压二极管的限压设计为14.4 V。
在电源滤波电路设计过程中可能出现电磁兼容指标合格但是供电电路关键工作参数受影响不满足要求的情况。所以需要综合设计滤波器的架构和参数匹配,以确保供电电路关键参数满足设计要求的前提下,整机的电磁兼容性满足要求。改进后的电源滤波电路如图4所示,由共模电感Z1,共模电感Z2,差模电容C1、C5、C8,共模电容C2、C3、C4、C6、C7、C9,整流二极管V1组成。外部供电经该滤波器滤波后再供给系统各通信模块。
4 电磁兼容测试
在屏蔽室内完成电磁兼容试验,实际测试CE102电源正极线幅频曲线(10 kHz~10 MHz),CE102电源负极线幅频曲线(10 kHz~10 MHz),RE102垂直极化幅频曲线(2 MHz~1 GHz),RE102水平极化幅频曲线(2 MHz~1 GHz),测试结果如图5至图8所示。
图5、图6、图7、图8之中,横轴为频率(单位Hz),纵轴为电磁辐射的幅度值(单位dBuV)。测试曲线上方的红实线为国家标准规定的门限值。各图中均标注了峰值杂散辐射点,杂散辐射的幅度低于门限值则测试结果合格。需要说明的是,国家标准中RE102对于受试品的正常工作频段是做相应裁剪的。图5中的252.550 MHz、565.000 MHz,图6中的345.500 MHz、607.150 MHz均为正常通信频点,不在电磁兼容考核频段范围之内。
从表2可以看到,终端产生的差模干扰及共模干扰经滤波电路有效滤除和衰减,符合电磁兼容CE102、RE102的考核要求。
5 结 论
手持终端的电源电路自身应具备符合要求的抗电磁干扰能力,同时应限制电路对外界造成干扰,保证各个设备均保持穩定的运行状态。本文结合实际项目,综合设计电源滤波电路的架构和参数匹配,对电磁兼容性进行了实际测试。该滤波器可有效抑制电磁干扰,保证系统稳定运行。
参考文献:
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[4] 刘建,温建龙,刘巍.电磁兼容辐射发射测量改善方案 [J].安全与电磁兼容,2021(5):79-82.
[5] 秦川,宋政湘.新型电源滤波器的设计与开发 [J].高压电器,2020,56(8):6-10.
作者简介:韩晓伟(1990—),男,汉族,河北平山人,工程师,硕士研究生,研究方向:无线通信。
收稿日期:2022-08-16