使用近場探頭探測DC-DC轉換器電磁幹擾

板載DC-DC轉換器產生的電磁幹擾（EMI）是物聯網產品的常見問題。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，結果產生超過2GHz的寬帶EMI。EMI會影響敏感接收器電路的靈敏度，尤其是蜂窩和全球導航衛星系統（GNSS）。

測量DC-DC轉換器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換器輸出電感器，即可實現非侵入性測量（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網板板載DC-DC電源轉換器產生的波形。電感器採用相對較大的圓形封裝，所以很容易識別。如圖所示，探頭應擺平，以實現最大耦合。

檢測開關波形上的振鈴很重要，因為振鈴頻率可以轉變為發射特性中的寬峰值。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）。由於想要耦合的是走線和元件中的電流，因此採用了這個類型。最大的那個探頭太敏感，解析度太低，不足以隔離發射源。另一個直徑約1釐米的較小探頭（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，進行調整，可以獲得顯示良好的波形。

[編者註：Beehive、Com-Power、ETS-Lindgren、Keysight Technologies、Langer EMV、TekBox、Tektronix等公司均提供EMI探頭套件。]

我們用數學方法來驗證這種特徵化測量（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）。由於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際測量的值進行比較。因為我們的目標是EMI，所以在這裡主要關註上升時間、一般開關波形和振鈴頻率（如果有的話）。
圖2：DC-DC轉換器輸出電感器的開關波形(SW)通過互感(M)耦合到磁場探頭。

DC-DC轉換器通常具有準方波信號(VL)，從轉換器開關節點(SW)和輸出電感器(L)輸入流到地迴路，這就是我們要用示波器探頭進行測量的信號。通過電感的電流與電壓的關係如下：

假設磁場探頭靠近電感器，得到一些互耦，M（未知），探頭的輸出是：

合併前面兩個公式，得出：

然後提出常數M/L，得出VOUT∝V。

由於VOUT與VL成正比，因此可以輕鬆快速地測量最重要的EMI特性，而不會與示波器探針產生連接短路。將磁場探頭靠近每個DC-DC轉換器電感器，可以測量上升時間（表示諧波頻率的上限）、脈衝寬度和周期（也考慮諧波頻率），以及振鈴頻率（在寬帶頻譜中會導致出現寬諧振峰值）。

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磁場探頭的開關波形特性。除振幅外，測量結果類似。

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）測量典型物聯網設備的DC-DC轉換器輸出電感，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險。
圖4：DC-DC轉換器的振鈴測量，可能在8MHz時產生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的解析度帶寬，結果在寬帶頻譜內得到8MHz諧振峰值（如圖5所示）。

圖5：DC-DC轉換器產生的寬帶頻譜在Marker1處顯示出8MHz諧振峰值。

在我見過的許多案例中，振鈴頻率很容易發生在100MHz左右，引起發射頻譜的寬峰值，在這種情況下，如果耦合到天線狀結構（通常是電纜），則可能導致EMI故障。

（原文刊登於ASPENCORE旗下EDN英文網站：Characterize DC-DC converter EMI with near-field probes。）本文為EDN電子技術設計 原創文章，禁止轉載。

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