小功率便携式音频产品的辐射分析及发射超标对策

作者: Roger Ding

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。

1. 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。