在开关稳压器的设计与应用中，电磁干扰（EMI）是一个不容忽视的问题。开关稳压器的 EMI 主要分为电磁辐射和传导辐射 (CE)，本文将重点聚焦于传导辐射。传导辐射又能进一步细分为两类，即共模 (CM) 噪声和差模 (DM) 噪声。那么，为什么要对 CM 噪声和 DM 噪声进行区分呢？这是因为对 CM 噪声有效的 EMI 抑制技术，不一定对 DM 噪声也同样有效，反之亦然。所以，确定传导辐射的来源，能够帮助我们节省在抑制噪声方面所花费的时间和成本。
本文将详细介绍一种实用方法，用于将 CM 辐射和 DM 辐射从 LTC7818 控制的开关稳压器中分离出来。当电源设计人员了解了 CM 噪声和 DM 噪声在 CE 频谱中出现的位置后，就可以有针对性地、有效地应用 EMI 抑制技术。从长远来看，这有助于节省设计时间和降低材料清单（BOM）成本。
图 1. 降压转换器中的 CM 噪声路径和 DM 噪声路径
图 1 展示了典型降压转换器的 CM 噪声和 DM 噪声路径。DM 噪声产生于电源线和返回线之间，而 CM 噪声则是通过杂散电容 CSTRAY 在电源线和接地层（例如铜测试台）之间产生的。用于 CE 测量的线路阻抗稳定网络（LISN）位于电源和降压转换器之间。虽然 LISN 本身不能直接用于测量 CM 和 DM 噪声，但它能够测量电源和返回电源线噪声，分别为图 1 中的 V1 和 V2，这些电压是在 50Ω 电阻上测得的。根据 CM 和 DM 噪声的定义，如图 1 所示，V1 和 V2 可以分别表示为 CM 电压 (VCM) 和 DM 电压 (VDM) 的和与差。因此，V1 和 V2 的平均值就是 VCM，而 V1 和 V2 之差的一半就是 VDM。
1. 测量 CM 噪声和 DM 噪声
T 型功率合成器是一种无源器件，它可以将两个输入信号合成为一个端口输出。其中，0° 合成器在输出端口产生输入信号的矢量和，而 180° 合成器则产生输入信号的矢量差。所以，0° 合成器可用于产生 VCM，180° 合成器可用于产生 VDM。
图 2 中所示的两个合成器 ZFSC - 2 - 1W+ (0°) 和 ZFSCJ - 2 - 1+ (180°) 来自 Mini - Circuits，可用于测量 1 MHz 至 108 MHz 的 VCM 和 VDM。不过，对于这些器件，当频率低于 1 MHz 时，测量误差会增大。对于较低频率的测量，应使用其他合成器，例如 ZMSC - 2 - 1+ (0°) 和 ZMSCJ - 2 - 2 (180°)。
图 4. 用于测量 CM 噪声和 DM 噪声的测试设置
测试设置如图 3 所示。功率合成器已被添加到标准 CE 测试设置中。LISN 针对电源线和返回线的输出分别连接到合成器的输入端口 1 和输入端口 2。0° 合成器的输出电压为 VS_CM = V1 + V2；180° 合成器的输出电压为 VS_DM = V1 – V2。
合成器的输出信号 VS_CM 和 VS_DM 必须在测试接收器中进行处理，以产生 VCM 和 VDM。首先，功率合成器已指定接收器中需要补偿的插入损耗。其次，由于 VCM = 0.5 VS_CM 且 VDM = 0.5 VS_DM，因此测试接收器需要从接收到的信号中再减去 6 dBμV。在补偿了这两个因素之后，就可以在测试接收器中读出测得的 CM 噪声和 DM 噪声。
2. CM 噪声和 DM 噪声测量的实验验证
为了验证此方法的有效性，我们使用了一个装有双降压转换器的标准演示板。该演示板的开关频率为 2.2 MHz，VIN = 12 V，VOUT1 = 3.3 V，IOUT1 = 10 A，VOUT2 = 5 V，IOUT2 = 10 A。图 4 展示了在 EMI 室中的测试设置。
图 5 和图 6 显示了测试结果。在图 5 中，较高的 EMI 曲线表示使用标准 CISPR 25 设置测得的总电压法 CE，而较低的辐射曲线表示添加 0° 合成器后测得的分离 CM 噪声。在图 6 中，较高的辐射曲线表示总 CE，而较低的 EMI 曲线表示添加 180° 合成器后测得的分离 DM 噪声。这些测试结果与理论分析相符合，表明 DM 噪声在较低频率范围内占主导地位，而 CM 噪声在较高频率范围内占主导地位。
图 5. 测得的 CM 噪声与总噪声的关系
图 6. 测得的 DM 噪声与总噪声的关系
根据测量结果，在 30 MHz 至 108 MHz 范围，总辐射噪声超过了 CISPR 25 Class 5 的限值。通过分离 CM 和 DM 噪声测量，我们发现此范围内的高传导辐射似乎是由 CM 噪声引起的。在这种情况下，添加或增强 DM EMI 滤波器或以其他方式降低输入纹波几乎没有意义，因为这些抑制技术无法降低该范围内引发问题的 CM 噪声。
因此，该演示板展示了专门解决 CM 噪声的办法。CM 噪声的来源之一是开关电路中的高 dV/dt 信号。通过增加栅极电阻来降低 dV/dt，可以降低该噪声电平。如前所述，CM 噪声通过杂散电容 CSTRAY 穿过 LISN。CSTRAY 越小，在 LISN 中检测到的 CM 噪声就越低。为了减小 CSTRAY，应减少此演示板上开关节点的覆铜面积。此外，在转换器输入端添加一个 CM EMI 滤波器，以获得高 CM 阻抗，从而降低进入 LISN 的 CM 噪声。通过实施这些办法，30 MHz 至 108 MHz 范围的噪声得以充分降低，从而符合 CISPR 25 Class 5 标准，如图 7 所示。
