韓曉偉 田曉蓓

摘? 要：隨著開關(guān)電源在手持終端中的廣泛應(yīng)用，以解決電磁兼容問題為目標(biāo)的電源濾波器設(shè)計(jì)也受到廣泛關(guān)注。電源濾波器自身要具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力，限制開關(guān)電源與外部供電模塊的相互干擾。針對(duì)手持終端電源系統(tǒng)開關(guān)電源數(shù)量多、電源濾波器體積小等特點(diǎn)，分析了濾波器的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)了小型化、高插損濾波器，有效抑制電磁傳導(dǎo)和輻射問題，保障電源系統(tǒng)的電磁兼容性要求。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；電磁兼容；電源濾波器

中圖分類號(hào)：TM933? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2023）01-0048-03

Design and EMC Test of a Power Supply Filter Applied in Handhold Terminals

HAN Xiaowei， TIAN Xiaobei

（The 54th Research Institute of CETC， Shijiazhuang? 050081， China）

Abstract： With the wide application of switching power supply in handhold terminals， the design of power supply filter aiming at solving the electromagnetic compatibility problem has also been widely concerned. The power supply filter should have strong anti-electromagnetic interference ability， and it can suppress the mutual interference between the switching power supply and the external power supply module. Aiming at the characteristics of the power supply system applied in handhold terminals， such as the large number of switching power supplies and the small size of the power supply filter， the main design parameters and demands of the filter are analyzed， and a miniaturized and high insertion-loss filter is designed to effectively suppress the electromagnetic conduction and radiation problems， which ensure the electromagnetic compatibility of the power system.

Keywords： switching power supply; electromagnetic compatibility; power supply filter

0? 引? 言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，小型化、集成化、多模式通信體制融合已經(jīng)成為手持終端的發(fā)展方向[1]。在實(shí)現(xiàn)具體技術(shù)方案時(shí)，因多種通信模式有各自不同的供電需求，現(xiàn)有技術(shù)中常采取多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；因終端小型化要求，無法采用占用空間較大的集成濾波模塊，現(xiàn)有技術(shù)中常采用分立的電感、電容器件設(shè)計(jì)模擬濾波電路[2]。多種通信模式并發(fā)工作時(shí)，跳頻頻率切換、信道收發(fā)切換等操作會(huì)頻繁切換開關(guān)電源通道。開關(guān)電源在高頻切換過程中會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓和各種高次諧波噪聲。這個(gè)干擾源會(huì)通過傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_等途徑影響自身電路和電源樹上的電子設(shè)備。多個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)，各自的開關(guān)頻率不同、輸出電壓不同，其疊加產(chǎn)生復(fù)雜的電磁干擾信號(hào)無法避免[3，4]。在實(shí)際測(cè)試中RE102電場(chǎng)輻射發(fā)射和CE102電源線傳導(dǎo)發(fā)射經(jīng)常超標(biāo)，不能滿足電磁兼容性要求。為了防止高頻開關(guān)電源的干擾傳入內(nèi)部敏感設(shè)備，同時(shí)防止電源系統(tǒng)受到外部電磁干擾，文中討論了一種抑制電磁干擾的電源濾波器。

1 電磁兼容性要求

按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，手持終端的電磁兼容性需要滿足以下要求：CE102（10 kHz～10 MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射）、RE102（2 MHz～18 GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射），具體門限值如表1所示。后文參照該標(biāo)準(zhǔn)門限值設(shè)計(jì)電源濾波器的相關(guān)指標(biāo)。

2? 電磁干擾問題分析

電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，文中所討論的濾波器主要針對(duì)解決電源線傳導(dǎo)干擾問題。本節(jié)從兩個(gè)角度分析手持終端的電磁干擾問題：一是從電源管理系統(tǒng)的架構(gòu)入手分析電磁干擾的來源；二是按照電磁干擾對(duì)負(fù)載的影響程度，討別抑制共模干擾和差模干擾的設(shè)計(jì)方案。

2.1? 開關(guān)電源系統(tǒng)架構(gòu)

手持終端的電源管理系統(tǒng)普遍采用開關(guān)電源（Direct Current Direct Current Converter， DC/DC）+低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout regulator， LDO）雙模式供電方案，如圖1所示。DC/DC的輸入電壓范圍較寬，升壓降壓均適用，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；LDO適合于降壓，瞬態(tài)特性好，無EMC問題。

為實(shí)現(xiàn)電源管理及功耗控制，各通信模塊由獨(dú)立的DC/DC+LDO供電。更詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案中，各通信模塊的發(fā)射通道、接收通道也實(shí)現(xiàn)供電鏈路的解耦合。終端需要用到哪一路供電時(shí)，主控芯片控制哪一路開關(guān)電源開始工作；不需要用電時(shí)，該路開關(guān)電源處于睡眠狀態(tài)。這種架構(gòu)可顯著優(yōu)化功耗和供電效率，同時(shí)會(huì)給系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。一方面，不同通信模式切換、收發(fā)信道切換、跳頻頻率切換要求各自的開關(guān)電源頻繁進(jìn)行睡眠狀態(tài)與工作狀態(tài)的切換；另一方面，開關(guān)電源本身就是一個(gè)高頻電能轉(zhuǎn)換裝置，正常工作中無法避免地產(chǎn)生浪涌電壓和各種高次諧波噪聲。這個(gè)干擾源會(huì)通過傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_等途徑影響自身電路和電源樹上的電子設(shè)備。

2.2? 共模干擾與差模干擾

供電電源至少有兩根導(dǎo)線作為往返回路輸送電力，即正極和負(fù)極。實(shí)際系統(tǒng)中還有第三根導(dǎo)線，即地線。電壓和電流通過導(dǎo)線傳輸時(shí)有兩種狀態(tài)，一種是兩根導(dǎo)線分別作為往返回路，這種信號(hào)叫差模信號(hào)；另一種是兩根導(dǎo)線做去路，地線做回路傳輸，這種信號(hào)叫共模信號(hào)。如圖2所示，共模干擾信號(hào)U2、U3為正負(fù)極與地線之間的電磁干擾，幅度相等、相位相同；差模干擾信號(hào)U1為正負(fù)極之間的電磁干擾，幅度相等、相位相反。對(duì)于傳導(dǎo)干擾而言，U2、U3不直接影響設(shè)備，而是通過轉(zhuǎn)化為U1來影響設(shè)備。那么在PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證正負(fù)極兩根線的平衡，避免共模電壓轉(zhuǎn)化為差模電壓。無法保證平衡的情況下，采用電壓濾波的方式濾除共模干擾信號(hào)。在設(shè)計(jì)電壓濾波器時(shí)分別考慮這兩種干擾信號(hào)，有針對(duì)性地進(jìn)行濾波抑制。

3? 電源濾波電路設(shè)計(jì)

目前大部分手持終端的電源濾波器架構(gòu)如圖3所示，濾波器由差模電容C1、C3，共模電感Z1，共模電容C2，C4構(gòu)成[5]。DC_IN和DC_IN_GND分別是外部供電正極和外部供電負(fù)極，DC_OUT和DC_OUT_GND分別是終端內(nèi)部的供電正極和供電負(fù)極，將直接供給各開關(guān)電源模塊。通常情況下，終端共模噪聲占電磁干擾噪聲的絕大部分，且其范圍很寬（覆蓋kHz～MHz量級(jí)）。電路中采用一級(jí)共模電感來抑制共模噪聲，采用共模電感的差電感配合差模電容來抑制差模干擾。共模電感的一對(duì)繞線電感無法做到等電感值、等阻抗，在抑制共模噪聲時(shí)無法達(dá)到理論計(jì)算效果。另外電容在高頻時(shí)會(huì)由容性變?yōu)楦行裕蛊涓哳l抑制效果不理想。

綜上對(duì)現(xiàn)有電源濾波器進(jìn)行以下改進(jìn)：

（1）為增強(qiáng)共模干擾抑制效果，在第一級(jí)共模電感Z1后再加一級(jí)共模電感Z2，兩個(gè)共模電感配合共模電容完成共模噪聲抑制。針對(duì)多開關(guān)電源并聯(lián)，各自切換頻率和諧振點(diǎn)處噪聲較為嚴(yán)重的特點(diǎn)，選擇共模電感的感值和衰減值時(shí)重點(diǎn)抑制切換頻率處的噪聲。共模電感的額定電流為終端正常工作電流的2～2.5倍。

（2）增加差模電容，由共模電感線圈的差電感配合差模電容共同完成差模噪聲抑制。

（3）經(jīng)過共模電感、共模電容、差模電容濾波后，增加一個(gè)整流二極管V1。在做CS101等敏感度測(cè)試過程中，當(dāng)外加干擾信號(hào)的某個(gè)頻率與系統(tǒng)開關(guān)電源的切換頻率接近時(shí)，二者有發(fā)生共振產(chǎn)生電壓過沖的風(fēng)險(xiǎn)。電壓過沖將導(dǎo)致開關(guān)電源的電壓紋波失控，影響后級(jí)供電電路正常工作。更嚴(yán)重的情況下，外加干擾信號(hào)與正常供電疊加后的電壓峰值超過開關(guān)電源芯片的輸入上限，從而造成硬件損壞。為了規(guī)避該風(fēng)險(xiǎn)，在供電進(jìn)入開關(guān)電源芯片前增加整流二極管。整流二極管的穩(wěn)壓值為電路正常工作電壓的1.2倍，比如正常供電電壓是12 V，那么穩(wěn)壓二極管的限壓設(shè)計(jì)為14.4 V。

在電源濾波電路設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)電磁兼容指標(biāo)合格但是供電電路關(guān)鍵工作參數(shù)受影響不滿足要求的情況。所以需要綜合設(shè)計(jì)濾波器的架構(gòu)和參數(shù)匹配，以確保供電電路關(guān)鍵參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，整機(jī)的電磁兼容性滿足要求。改進(jìn)后的電源濾波電路如圖4所示，由共模電感Z1，共模電感Z2，差模電容C1、C5、C8，共模電容C2、C3、C4、C6、C7、C9，整流二極管V1組成。外部供電經(jīng)該濾波器濾波后再供給系統(tǒng)各通信模塊。

4? 電磁兼容測(cè)試

在屏蔽室內(nèi)完成電磁兼容試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)試CE102電源正極線幅頻曲線（10 kHz～10 MHz），CE102電源負(fù)極線幅頻曲線（10 kHz～10 MHz），RE102垂直極化幅頻曲線（2 MHz～1 GHz），RE102水平極化幅頻曲線（2 MHz～1 GHz），測(cè)試結(jié)果如圖5至圖8所示。

圖5、圖6、圖7、圖8之中，橫軸為頻率（單位Hz），縱軸為電磁輻射的幅度值（單位dBuV）。測(cè)試曲線上方的紅實(shí)線為國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的門限值。各圖中均標(biāo)注了峰值雜散輻射點(diǎn)，雜散輻射的幅度低于門限值則測(cè)試結(jié)果合格。需要說明的是，國家標(biāo)準(zhǔn)中RE102對(duì)于受試品的正常工作頻段是做相應(yīng)裁剪的。圖5中的252.550 MHz、565.000 MHz，圖6中的345.500 MHz、607.150 MHz均為正常通信頻點(diǎn)，不在電磁兼容考核頻段范圍之內(nèi)。

從表2可以看到，終端產(chǎn)生的差模干擾及共模干擾經(jīng)濾波電路有效濾除和衰減，符合電磁兼容CE102、RE102的考核要求。

5? 結(jié)? 論

手持終端的電源電路自身應(yīng)具備符合要求的抗電磁干擾能力，同時(shí)應(yīng)限制電路對(duì)外界造成干擾，保證各個(gè)設(shè)備均保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，綜合設(shè)計(jì)電源濾波電路的架構(gòu)和參數(shù)匹配，對(duì)電磁兼容性進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。該濾波器可有效抑制電磁干擾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 魏欣瑋.某型記錄設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì) [J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2021，11（9）：37-38.

[2] 劉恩博，朱俊穎，王海星，等.開關(guān)電源RE102仿真與實(shí)測(cè) [J].安全與電磁兼容，2019（4）：63-66.

[3] 陳寶祥，祝志博，黃俊碩，等.開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI分析及抑制方法研究 [J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版，2019，19（4）：70-74.

[4] 劉建，溫建龍，劉巍.電磁兼容輻射發(fā)射測(cè)量改善方案 [J].安全與電磁兼容，2021（5）：79-82.

[5] 秦川，宋政湘.新型電源濾波器的設(shè)計(jì)與開發(fā) [J].高壓電器，2020，56（8）：6-10.

作者簡介：韓曉偉（1990—），男，漢族，河北平山人，工程師，碩士研究生，研究方向：無線通信。

收稿日期：2022-08-16