摘要

小功率便攜式電子產(chǎn)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(lèi)產(chǎn)品通常使用適配器供電，設計要求充電部分工作時(shí)，必須通過(guò)測試并符合 EMC標準。一般來(lái)說(shuō)，為了提高系統工作效率，鋰電池充電芯片都是基于開(kāi)關(guān)工作方式，類(lèi)似一個(gè)開(kāi)關(guān)電源，另外，可能其他的開(kāi)關(guān)電源芯片在同時(shí)工作，器件均為開(kāi)關(guān)工作方式，提高了工作效率，同時(shí)引入了輻射問(wèn)題，這也是電子產(chǎn)品設計過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題。本文基于一個(gè)產(chǎn)品設計實(shí)例（用 BQ24133 單電池充電電路和LM3478 升壓電路），對設計過(guò)程中曾經(jīng)遇到的輻射難題進(jìn)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(wèn)題的方法，以供大家作參考。

內容

便攜式音頻產(chǎn)品電源系統介紹

1.1 背景

實(shí)際的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，便攜式產(chǎn)品的 EMI 測試是用適配器給產(chǎn)品充電，有其他外接設備連接也需要在測試時(shí)接上。下面以一個(gè)實(shí)際產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)為例，說(shuō)明這類(lèi)產(chǎn)品設計的 EMI 設計要注意的問(wèn)題，以及遇到輻射發(fā)射超標，如何來(lái)分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因。并找出解決問(wèn)題的辦法。

1.2 音頻產(chǎn)品供電回路

如下圖 1 是一個(gè) Audio 產(chǎn)品的電源部分的原理圖,這個(gè)產(chǎn)品有一個(gè) charger 芯片 BQ24133，在這個(gè)應用中設置最大充電電流 2A。有一個(gè) Boost 芯片 LM3478，把電池電壓升壓到 10V 給 Audio 芯片供電，滿(mǎn)載電流 1A，另外一個(gè) 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(xiàn)規格是 1.5 米，手機充電的電源線(xiàn)約 0.5 米，整個(gè) 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(wèn)題分析

2.1 EMI 問(wèn)題的產(chǎn)生

這類(lèi)便攜式產(chǎn)品要求通過(guò)標準 EN55022，Class B。這個(gè)產(chǎn)品的初版樣機在輻射發(fā)射測試時(shí)（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(chǎn)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(gè)產(chǎn)品中開(kāi)關(guān)方式工作的器件無(wú)疑是騷擾源，也就是 BQ24133(開(kāi)關(guān)頻率1.6MHZ)和兩個(gè) LM3478（開(kāi)關(guān)頻率400KHZ）。再看耦合路徑，30M 到 300M 頻段對應的波長(cháng)是一米到十米，如果要發(fā)射一定波長(cháng)的電磁波，需要一根發(fā)射天線(xiàn)，成為天線(xiàn)的必要條件是長(cháng)度至少要大于波長(cháng)的二十分之一，當天線(xiàn)是電磁波半波長(cháng)的整數倍時(shí)，發(fā)射功率最大。滿(mǎn)足以上條件能成為天線(xiàn)的導線(xiàn)就是幾根外接線(xiàn)，最有可能的是適配器的直流電源線(xiàn)和地線(xiàn)。分析 layout 設計，發(fā)現產(chǎn)品設計時(shí)，只用了一個(gè)地，在整個(gè) PCB 的兩層均大面積鋪地，并且與適配器的地線(xiàn)連接在一起，加上手機的充電導線(xiàn)，構成一根超過(guò)兩米長(cháng)的地線(xiàn)。另外BQ24133 充電電路和兩個(gè) 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(guò)長(cháng)的地線(xiàn)發(fā)射出來(lái)。

3. 解決問(wèn)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(méi)有 PE 線(xiàn)，無(wú)法使用 Y 電容，客戶(hù)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(gè)電源回路梳理，將模擬地和數字地分開(kāi)，每個(gè)單元電路不要相互交叉。BQ24133 的數字地和模擬地分開(kāi)走線(xiàn)，在芯片下通過(guò)一個(gè) 0 歐姆電阻的單點(diǎn)接。另外，BQ24133 的功率地最好跟整個(gè)產(chǎn)品的地適當分割，單點(diǎn)連接。

2)減小諧波回路面積，對 LM3478，如圖，MOS 管開(kāi)通時(shí)，Cin，L 和 MOS 構成一個(gè)回路對電感充電，請看圖 2（a）的 Cycle1。MOS 管關(guān)斷時(shí)，Cin，L，D，Cout 構成另一個(gè)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(lái)抑制這個(gè)尖峰電壓，以避免產(chǎn)生過(guò)大的共模噪聲。這兩個(gè)回路的工作頻率是 MOS 的開(kāi)關(guān)頻率，諧波分量大，布板時(shí)要盡量減小諧波回路的面積。要把這兩個(gè)功率回路的器件靠近放置，走大銅皮寬走線(xiàn)，減小開(kāi)關(guān)頻率諧波的回路阻抗。

圖 2：LM3478 工作原理圖

BQ24133 實(shí)質(zhì)是一個(gè) Buck 回路。也有類(lèi)似的問(wèn)題。請看圖 3，BQ24133 工作原理圖，輸入電容C1，整流管開(kāi)通，續流管關(guān)斷，整流管電感和負載構成一個(gè)高頻回路，有很高的 dI/dT。另外，整流管關(guān)斷，續流管開(kāi)通時(shí)，電感電流通過(guò)續流管續流（在重載時(shí)續流管工作在電感電流連續模式）， 電感電流沒(méi)有減小到零時(shí)整流管又會(huì )開(kāi)通，這是續流管被強制加反向電壓而截止，產(chǎn)生很高的反向恢復電壓尖峰（雖然是同步整流，由于死區的存在，死區時(shí)間內仍然是二極管整流），這會(huì )導致比較大的共模噪聲，所以需要在 SW 對 PGND 加 Snubber 電路來(lái)抑制續流管的反向尖峰。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(xiàn)應走大銅皮寬走線(xiàn)，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(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)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(lèi)產(chǎn)品用的電容都比較差，這個(gè)項目原來(lái)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(kāi)關(guān)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 的續流二極管加 Snubber 電路。Snubber 電路緊貼開(kāi)關(guān)管管腳，加寬走線(xiàn)，高頻諧波就近旁路。 首先可以先預放一個(gè) 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格，就適當增加 RC，以吸收更多的高頻能量，如果裕量過(guò)大，應減小 RC 的值以提高效率。

4) 對于兩層板來(lái)說(shuō)，將電感和 MOS 等功率器件和功率器件之間走線(xiàn)下面的 GND 銅皮去掉或者減小。降低開(kāi)關(guān)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(lái)說(shuō)，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(kāi)。例如，把電源類(lèi)器件布置在 PCB 左側，跟其他電路適當留隔離帶。輸出線(xiàn)和端子盡量遠離開(kāi)關(guān)管，電感等器件。在諧波較大的回路上，注意 PCB 走線(xiàn)避免用銳角，盡量倒鈍角或走圓角。

3.2.2 共模電感的使用

對于多節電池，充電功率增加，電池輸出線(xiàn)盡量減小長(cháng)度，避免電池線(xiàn)變成輻射天線(xiàn)。另外，可考慮適當增加共模電感來(lái)抑制電池線(xiàn)共模干擾。

3.2.3 測試注意事項
建議客戶(hù)輻射測試時(shí)用蓄電池加 1.5 米線(xiàn)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(gè)平衡點(diǎn),RC 的值不能加的過(guò)大，以免導致 IC 過(guò)熱。所以，干擾源噪聲比較大時(shí)，要考慮多種措施同時(shí)使用，以取得最優(yōu)的效果。

4.結論：

經(jīng)過(guò)整改后，優(yōu)化了 layout，順利通過(guò)了輻射測試。從這個(gè)項目，總結一些經(jīng)驗。首先，確定騷擾源和發(fā)射天線(xiàn)，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(diǎn)通過(guò)優(yōu)化 layout，使諧波就近通過(guò)電容旁路，減少騷擾源的高頻騷擾到外接長(cháng)線(xiàn)的耦合。EMC 設計的本質(zhì)，就是如何處理好諧波的問(wèn)題。