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[導讀]摘要小功率便攜式電子產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。此類產品通常使用適配器供電,設計要求充電部分工作時,必須通過測試并符

摘要

小功率便攜式電子產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。此類產品通常使用適配器供電,設計要求充電部分工作時,必須通過測試并符合 EMC標準。一般來說,為了提高系統工作效率,鋰電池充電芯片都是基于開關工作方式,類似一個開關電源,另外,可能其他的開關電源芯片在同時工作,器件均為開關工作方式,提高了工作效率,同時引入了輻射問題,這也是電子產品設計過程中的常見問題。本文基于一個產品設計實例(用 BQ24133 單電池充電電路和 LM3478 升壓電路),對設計過程中曾經遇到的輻射難題進行了詳盡的分析。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. 便攜式音頻產品電源系統介紹

1.1 背景

實際的產品開發(fā)中,便攜式產品的 EMI 測試是用適配器給產品充電,有其他外接設備連接也需要在測試時接上。下面以一個實際產品的開發(fā)為例,說明這類產品設計的 EMI 設計要注意的問題,以及遇到輻射發(fā)射超標,如何來分析問題產生的原因。并找出解決問題的辦法。

1.2 音頻產品供電回路

如下圖 1 是一個 Audio 產品的電源部分的原理圖,這個產品有一個 charger 芯片 BQ24133,在這個應用中設置最大充電電流 2A。有一個 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 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,手機充電的電源線約 0.5 米,整個 PCB 板面積大概12mm×8mm,設計為兩層板。

圖 1:Audio 供電回路圖

2. EMI 問題分析

2.1 EMI 問題的產生

這類便攜式產品要求通過標準 EN55022,Class B。這個產品的初版樣機在輻射發(fā)射測試時(未接手機),輻射發(fā)射 30M到 300M 頻段嚴重超標,在 200MHZ 左右,超標 20DB 以上。

2.2 分析輻射發(fā)射超標的原因:

首先,先分析輻射超標產生的原因,我們知道 EMC 三要素,騷擾源,耦合路徑和敏感設備。這個產品中開關方式工作的器件無疑是騷擾源,也就是 BQ24133(開關頻率 1.6MHZ)和兩個 LM3478(開關頻率400KHZ)。再看耦合路徑,30M 到 300M 頻段對應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,當天線是電磁波半波長的整數倍時,發(fā)射功率最大。滿足以上條件能成為天線的導線就是幾根外接線,最有可能的是適配器的直流電源線和地線。分析 layout 設計,發(fā)現產品設計時,只用了一個地,在整個 PCB 的兩層均大面積鋪地,并且與適配器的地線連接在一起,加上手機的充電導線,構成一根超過兩米長的地線。另外BQ24133 充電電路和兩個 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:

針對以上分析,做了整改。由于是便攜式音頻設備,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:

1)將每個電源回路梳理,將模擬地和數字地分開,每個單元電路不要相互交叉。BQ24133 的數字地和模擬地分開走線,在芯片下通過一個 0 歐姆電阻的單點接。另外,BQ24133 的功率地最好跟整個產品的地適當分割,單點連接。

2)減小諧波回路面積,對 LM3478,如圖,MOS 管開通時,Cin,L 和 MOS 構成一個回路對電感充電,請看圖 2(a)的 Cycle1。MOS 管關斷時,Cin,L,D,Cout 構成另一個回路對電感放電,請看圖 2(b)中的 Cycle2。對于二極管 D,交替工作在正向導通和反向截止的狀態(tài),因此,有很高的反向恢復尖峰電壓,需要在二極管兩端加 Snubber 電路來抑制這個尖峰電壓,以避免產生過大的共模噪聲。這兩個回路的工作頻率是 MOS 的開關頻率,諧波分量大,布板時要盡量減小諧波回路的面積。要把這兩個功率回路的器件靠近放置,走大銅皮寬走線,減小開關頻率諧波的回路阻抗。

圖 2:LM3478 工作原理圖

BQ24133 實質是一個 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)流管關斷,整流管電感和負載構成一個高頻回路,有很高的 dI/dT。另外,整流管關斷,續(xù)流管開通時,電感電流通過續(xù)流管續(xù)流(在重載時續(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整流管又會開通,這是續(xù)流管被強制加反向電壓而截止,產生很高的反向恢復電壓尖峰(雖然是同步整流,由于死區(qū)的存在,死區(qū)時間內仍然是二極管整流),這會導致比較大的共模噪聲,所以需要在 SW 對 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 應盡量靠近芯片布置,減小高頻回路面積。功率回路走線應走大銅皮寬走線,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,這類產品用的電容都比較差,這個項目原來用電解電容,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頻率的諧波回路盡量小,諧波阻抗盡量小,可以減小回路對外的輻射干擾。

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 電路緊貼開關管管腳,加寬走線,高頻諧波就近旁路。 首先可以先預放一個 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,就適當增加 RC,以吸收更多的高頻能量,如果裕量過大,應減小 RC 的值以提高效率。

4) 對于兩層板來說,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。降低開關管到 GND 的分布電容,減小共模耦合。

3.2 其他注意事項

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分開。例如,把電源類器件布置在 PCB 左側,跟其他電路適當留隔離帶。輸出線和端子盡量遠離開關管,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

建議客戶輻射測試時用蓄電池加 1.5 米線做輸入源,排除 Adapter 造成的干擾。另外,測試中調整 Snubber 參數,在效率和 EMI 中取得一個平衡點,RC 的值不能加的過大,以免導致 IC 過熱。所以,干擾源噪聲比較大時,要考慮多種措施同時使用,以取得最優(yōu)的效果。

4.結論:

經過整改后,優(yōu)化了 layout,順利通過了輻射測試。從這個項目,總結一些經驗。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 設計的本質,就是如何處理好諧波的問題。

參考文獻:

• LM3478 datasheet Oct,2011

• BQ24133 datasheet May,2011

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