【導(dǎo)讀】板載DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的常見問題。這些小電路通常在1MHz和3MHz之間以亞納秒級邊緣速率快速切換，結(jié)果產(chǎn)生超過2GHz的寬帶EMI。
板載DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）是物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的常見問題。這些小電路通常在1MHz和3MHz之間以亞納秒級邊緣速率快速切換，結(jié)果產(chǎn)生超過2GHz的寬帶EMI。EMI會影響敏感接收器電路的靈敏度，尤其是蜂窩和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）。
測量DC-DC轉(zhuǎn)換器EMI性能的一種有效方式是在時域中使用小型磁場（H-field）探頭測量上升時間和振鈴。通過將磁場探頭耦合到轉(zhuǎn)換器輸出電感器，即可實(shí)現(xiàn)非侵入性測量（如圖1所示）。
圖1：將探頭耦合到輸出電感器來探測典型物聯(lián)網(wǎng)板板載DC-DC電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的波形。電感器采用相對較大的圓形封裝，所以很容易識別。如圖所示，探頭應(yīng)擺平，以實(shí)現(xiàn)最大耦合。
檢測開關(guān)波形上的振鈴很重要，因為振鈴頻率可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射特性中的寬峰值。磁場探頭快速而安全，因為它不需要直接連接到電路，只需耦合到DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電感器即可。
Rohde＆Schwarz HZ-15近場探頭套件包括幾個磁場探頭（或環(huán)）。由于想要耦合的是走線和元件中的電流，因此采用了這個類型。最大的那個探頭太敏感，分辨率太低，不足以隔離發(fā)射源。另一個直徑約1厘米的較小探頭（型號RS H 50-1），適合在板級識別和探測EMI。簡單地將探頭連接到50Ω示波器輸入端，進(jìn)行調(diào)整，可以獲得顯示良好的波形。
[編者注：Beehive、Com-Power、ETS-Lindgren、Keysight Technologies、Langer EMV、TekBox、Tektronix等公司均提供EMI探頭套件。]
我們用數(shù)學(xué)方法來驗證這種特征化測量（如圖2所示）。在電感器和磁場探頭之間可能存在某個未知的互耦因子（即下面等式中的M）。由于我們不知道該互耦因子到底是多少，所以無法對振幅與示波器探頭實(shí)際測量的值進(jìn)行比較。因為我們的目標(biāo)是EMI，所以在這里主要關(guān)注上升時間、一般開關(guān)波形和振鈴頻率（如果有的話）。
圖2：DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電感器的開關(guān)波形(SW)通過互感(M)耦合到磁場探頭。
DC-DC轉(zhuǎn)換器通常具有準(zhǔn)方波信號(VL)，從轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)(SW)和輸出電感器(L)輸入流到地回路，這就是我們要用示波器探頭進(jìn)行測量的信號。通過電感的電流與電壓的關(guān)系如下：
假設(shè)磁場探頭靠近電感器，得到一些互耦，M（未知），探頭的輸出是：
合并前面兩個公式，得出：
然后提出常數(shù)M/L，得出VOUT∝V。
由于VOUT與VL成正比，因此可以輕松快速地測量最重要的EMI特性，而不會與示波器探針產(chǎn)生連接短路。將磁場探頭靠近每個DC-DC轉(zhuǎn)換器電感器，可以測量上升時間（表示諧波頻率的上限）、脈沖寬度和周期（也考慮諧波頻率），以及振鈴頻率（在寬帶頻譜中會導(dǎo)致出現(xiàn)寬諧振峰值）。
圖3和圖4比較了帶寬為GHz的RT-ZS20 1.5示波器探頭（帶短探針）和RS H 50-1磁場探頭的開關(guān)波形特性。除振幅外，測量結(jié)果類似。
圖3：使用耦合磁場探頭（上部跡線）和直連單端探頭（下部跡線）測量典型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電感，顯示了相似的波形。但使用磁場探頭可以快速測量上升時間、周期和振鈴，而沒有電路短路的風(fēng)險。
圖4：DC-DC轉(zhuǎn)換器的振鈴測量，可能在8MHz時產(chǎn)生EMI寬峰值（加上高次諧波）。
將同樣的磁場探頭連接到Siglent SSA 3032X頻譜分析儀，其起始和終止頻率分別為1和500MHz，且具有120kHz的分辨率帶寬，結(jié)果在寬帶頻譜內(nèi)得到8MHz諧振峰值（如圖5所示）。
圖5：DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的寬帶頻譜在Marker1處顯示出8MHz諧振峰值。
在我見過的許多案例中，振鈴頻率很容易發(fā)生在100MHz左右，引起發(fā)射頻譜的寬峰值，在這種情況下，如果耦合到天線狀結(jié)構(gòu)（通常是電纜），則可能導(dǎo)致EMI故障。
