手持終端電源濾波器的設計與EMC測試

韓曉偉 田曉蓓

摘? 要：隨著開關電源在手持終端中的廣泛應用，以解決電磁兼容問題為目標的電源濾波器設計也受到廣泛關注。電源濾波器自身要具有很強的抗電磁干擾能力，限制開關電源與外部供電模塊的相互干擾。針對手持終端電源系統開關電源數量多、電源濾波器體積小等特點，分析了濾波器的主要設計指標要求，設計了小型化、高插損濾波器，有效抑制電磁傳導和輻射問題，保障電源系統的電磁兼容性要求。

關鍵詞：開關電源；電磁兼容；電源濾波器

中圖分類號：TM933? 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著通信技術的發展，小型化、集成化、多模式通信體制融合已經成為手持終端的發展方向[1]。在實現具體技術方案時，因多種通信模式有各自不同的供電需求，現有技術中常采取多個開關電源并聯的拓撲結構；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，現有技術中常采用分立的電感、電容器件設計模擬濾波電路[2]。多種通信模式并發工作時，跳頻頻率切換、信道收發切換等操作會頻繁切換開關電源通道。開關電源在高頻切換過程中會產生浪涌電壓和各種高次諧波噪聲。這個干擾源會通過傳導、輻射和串擾等途徑影響自身電路和電源樹上的電子設備。多個開關電源并聯，各自的開關頻率不同、輸出電壓不同，其疊加產生復雜的電磁干擾信號無法避免[3，4]。在實際測試中RE102電場輻射發射和CE102電源線傳導發射經常超標，不能滿足電磁兼容性要求。為了防止高頻開關電源的干擾傳入內部敏感設備，同時防止電源系統受到外部電磁干擾，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

按照相關國家標準，手持終端的電磁兼容性需要滿足以下要求：CE102（10 kHz～10 MHz電源線傳導發射）、RE102（2 MHz～18 GHz電場輻射發射），具體門限值如表1所示。后文參照該標準門限值設計電源濾波器的相關指標。

2? 電磁干擾問題分析

電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾，文中所討論的濾波器主要針對解決電源線傳導干擾問題。本節從兩個角度分析手持終端的電磁干擾問題：一是從電源管理系統的架構入手分析電磁干擾的來源；二是按照電磁干擾對負載的影響程度，討別抑制共模干擾和差模干擾的設計方案。

2.1? 開關電源系統架構

手持終端的電源管理系統普遍采用開關電源（Direct Current Direct Current Converter， DC/DC）+低壓差線性穩壓器（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，驅動能力強；LDO適合于降壓，瞬態特性好，無EMC問題。

為實現電源管理及功耗控制，各通信模塊由獨立的DC/DC+LDO供電。更詳細的設計方案中，各通信模塊的發射通道、接收通道也實現供電鏈路的解耦合。終端需要用到哪一路供電時，主控芯片控制哪一路開關電源開始工作；不需要用電時，該路開關電源處于睡眠狀態。這種架構可顯著優化功耗和供電效率，同時會給系統的電磁兼容設計帶來新的挑戰。一方面，不同通信模式切換、收發信道切換、跳頻頻率切換要求各自的開關電源頻繁進行睡眠狀態與工作狀態的切換；另一方面，開關電源本身就是一個高頻電能轉換裝置，正常工作中無法避免地產生浪涌電壓和各種高次諧波噪聲。這個干擾源會通過傳導、輻射和串擾等途徑影響自身電路和電源樹上的電子設備。

2.2? 共模干擾與差模干擾

供電電源至少有兩根導線作為往返回路輸送電力，即正極和負極。實際系統中還有第三根導線，即地線。電壓和電流通過導線傳輸時有兩種狀態，一種是兩根導線分別作為往返回路，這種信號叫差模信號；另一種是兩根導線做去路，地線做回路傳輸，這種信號叫共模信號。如圖2所示，共模干擾信號U2、U3為正負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U1為正負極之間的電磁干擾，幅度相等、相位相反。對于傳導干擾而言，U2、U3不直接影響設備，而是通過轉化為U1來影響設備。那么在PCB設計時應盡量保證正負極兩根線的平衡，避免共模電壓轉化為差模電壓。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。在設計電壓濾波器時分別考慮這兩種干擾信號，有針對性地進行濾波抑制。

3? 電源濾波電路設計

目前大部分手持終端的電源濾波器架構如圖3所示，濾波器由差模電容C1、C3，共模電感Z1，共模電容C2，C4構成[5]。DC_IN和DC_IN_GND分別是外部供電正極和外部供電負極，DC_OUT和DC_OUT_GND分別是終端內部的供電正極和供電負極，將直接供給各開關電源模塊。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）。電路中采用一級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。共模電感的一對繞線電感無法做到等電感值、等阻抗，在抑制共模噪聲時無法達到理論計算效果。另外電容在高頻時會由容性變為感性，使其高頻抑制效果不理想。

綜上對現有電源濾波器進行以下改進：

（1）為增強共模干擾抑制效果，在第一級共模電感Z1后再加一級共模電感Z2，兩個共模電感配合共模電容完成共模噪聲抑制。針對多開關電源并聯，各自切換頻率和諧振點處噪聲較為嚴重的特點，選擇共模電感的感值和衰減值時重點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）經過共模電感、共模電容、差模電容濾波后，增加一個整流二極管V1。在做CS101等敏感度測試過程中，當外加干擾信號的某個頻率與系統開關電源的切換頻率接近時，二者有發生共振產生電壓過沖的風險。電壓過沖將導致開關電源的電壓紋波失控，影響后級供電電路正常工作。更嚴重的情況下，外加干擾信號與正常供電疊加后的電壓峰值超過開關電源芯片的輸入上限，從而造成硬件損壞。為了規避該風險，在供電進入開關電源芯片前增加整流二極管。整流二極管的穩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，那么穩壓二極管的限壓設計為14.4 V。

在電源濾波電路設計過程中可能出現電磁兼容指標合格但是供電電路關鍵工作參數受影響不滿足要求的情況。所以需要綜合設計濾波器的架構和參數匹配，以確保供電電路關鍵參數滿足設計要求的前提下，整機的電磁兼容性滿足要求。改進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。外部供電經該濾波器濾波后再供給系統各通信模塊。

4? 電磁兼容測試

在屏蔽室內完成電磁兼容試驗，實際測試CE102電源正極線幅頻曲線（10 kHz～10 MHz），CE102電源負極線幅頻曲線（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），測試結果如圖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）。測試曲線上方的紅實線為國家標準規定的門限值。各圖中均標注了峰值雜散輻射點，雜散輻射的幅度低于門限值則測試結果合格。需要說明的是，國家標準中RE102對于受試品的正常工作頻段是做相應裁剪的。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，不在電磁兼容考核頻段范圍之內。

從表2可以看到，終端產生的差模干擾及共模干擾經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? 論

手持終端的電源電路自身應具備符合要求的抗電磁干擾能力，同時應限制電路對外界造成干擾，保證各個設備均保持穩定的運行狀態。本文結合實際項目，綜合設計電源濾波電路的架構和參數匹配，對電磁兼容性進行了實際測試。該濾波器可有效抑制電磁干擾，保證系統穩定運行。

參考文獻：

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[5] 秦川，宋政湘.新型電源濾波器的設計與開發 [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