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(jí)邊緣速率快速切換，結(jié)果產(chǎn)生超過2GHz的寬帶EMI。EMI會(huì)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(cè)量DC-DC轉(zhuǎn)換器EMI性能的一種有效方式是在時(shí)域中使用小型磁場(chǎng)（H-field）探頭測(cè)量上升時(shí)間和振鈴。通過將磁場(chǎng)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(cè)量（如圖1所示）。

 

圖1：將探頭耦合到輸出電感器來探測(cè)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(duì)較大的圓形封裝，所以很容易識(shí)別。如圖所示，探頭應(yīng)擺平，以實(shí)現(xiàn)最大耦合。

 

檢測(cè)開關(guān)波形上的振鈴很重要，因?yàn)檎疋忣l率可以轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射特性中的寬峰值。磁場(chǎng)探頭快速而安全，因?yàn)樗恍枰苯舆B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(chǎng)探頭套件包括幾個(gè)磁場(chǎng)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(gè)類型。最大的那個(gè)探頭太敏感，分辨率太低，不足以隔離發(fā)射源。另一個(gè)直徑約1厘米的較小探頭（型號(hào)RS H 50-1），適合在板級(jí)識(shí)別和探測(cè)EMI。簡(jiǎn)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(yàn)證這種特征化測(cè)量（如圖2所示）。在電感器和磁場(chǎng)探頭之間可能存在某個(gè)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(duì)振幅與示波器探頭實(shí)際測(cè)量的值進(jìn)行比較。因?yàn)槲覀兊哪繕?biāo)是EMI，所以在這里主要關(guān)注上升時(shí)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(chǎng)探頭。

 

DC-DC轉(zhuǎn)換器通常具有準(zhǔn)方波信號(hào)(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(cè)量的信號(hào)。通過電感的電流與電壓的關(guān)系如下：

 

 

假設(shè)磁場(chǎng)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(gè)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(cè)量最重要的EMI特性，而不會(huì)與示波器探針產(chǎn)生連接短路。將磁場(chǎng)探頭靠近每個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器電感器，可以測(cè)量上升時(shí)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(huì)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(chǎng)探頭的開關(guān)波形特性。除振幅外，測(cè)量結(jié)果類似。
 

圖3：使用耦合磁場(chǎng)探頭（上部跡線）和直連單端探頭（下部跡線）測(cè)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(chǎng)探頭可以快速測(cè)量上升時(shí)間、周期和振鈴，而沒有電路短路的風(fēng)險(xiǎn)。
 

圖4：DC-DC轉(zhuǎn)換器的振鈴測(cè)量，可能在8MHz時(shí)產(chǎn)生EMI寬峰值（加上高次諧波）。

 

將同樣的磁場(chǎng)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。