使Qi兼容无线电源解决方案适用于
智能手表、健身腕带和头戴式耳机等诸多低功耗可穿戴设备已推向市场(图1)。预计在未来几年，这种全新的电子产品系列的阵营将会迅速发展壮大。这些设备通常小巧纤薄，具有
摘要
小功率便携式电子产品目前常用锂电池和 Boost(Buck)芯片给 MCU、Audio 以及显示屏等器件供电。
此类产品通常使用适配器供电，设计要求充电部分工作时，必须通过测试并符合 EMC标准。
一般来说，为了提高系统工作效率，锂电池充电芯片都是基于开关工作方式，类似一个开关电源，另外，可能其他的开关电源芯片在同时工作，器件均为开关工作方式，提高了工作效率，同时引入了辐射问题，这也是电子产品设计过程中的常见问题。
本文基于一个产品设计实例（用 BQ24133 单电池充电电路和LM3478 升压电路），对设计过程中曾经遇到的辐射难题进行了详尽的分析。
确定骚扰源，找出耦合路径，最终给出解决问题的方法，以供大家作参考。
1. 便携式音频产品电源系统介绍
1.1 背景
实际的产品开发中，便携式产品的 EMI 测试是用适配器给产品充电，有其他外接设备连接也需要在测试时接上。
下面以一个实际产品的开发为例，说明这类产品设计的 EMI 设计要注意的问题，以及遇到辐射发射超标，如何来分析问题产生的原因。
并找出解决问题的办法。
1.2 音频产品供电回路
如下图 1 是一个 Audio 产品的电源部分的原理图,这个产品有一个 charger 芯片 BQ24133，在这个应用中设置最大充电电流 2A。
有一个 Boost 芯片 LM3478，把电池电压升压到 10V 给 Audio 芯片供电，满载电流 1A，另外一个 Boost 芯片 LM3478，把电池电压升到 5V，给iphone或者ipad充电，最大电流2A。
适配器的直流输出线规格是 1.5 米，手机充电的电源线约 0.5 米，整个 PCB 板面积大概12mm×8mm，设计为两层板。
图 1：Audio 供电回路图
2. EMI 问题分析
2.1 EMI 问题的产生
这类便携式产品要求通过标准 EN55022，Class B。
这个产品的初版样机在辐射发射测试时（未接手机），辐射发射 30M 到 300M 频段严重超标，在 200MHZ 左右，超标 20DB 以上。
2.2 分析辐射发射超标的原因:
首先，先分析辐射超标产生的原因，我们知道 EMC 三要素，骚扰源，耦合路径和敏感设备。
这个产品中开关方式工作的器件无疑是骚扰源，也就是 BQ24133(开关频率1.6MHZ)和两个 LM3478（开关频率400KHZ）。
再看耦合路径，30M 到 300M 频段对应的波长是一米到十米，如果要发射一定波长的电磁波，需要一根发射天线，成为天线的必要条件是长度至少要大于波长的二十分之一，当天线是电磁波半波长的整数倍时，发射功率最大。
满足以上条件能成为天线的导线就是几根外接线，最有可能的是适配器的直流电源线和地线。
分析 layout 设计，发现产品设计时，只用了一个地，在整个 PCB 的两层均大面积铺地，并且与适配器的地线连接在一起，加上手机的充电导线，构成一根超过两米长的地线。
另外BQ24133 充电电路和两个 LM3478 的升压电路底下也是大面积的铺地，造成高频干扰直接耦合到地平面，通过长的地线发射出来。
3. 解决问题的办法:
针对以上分析，做了整改。
由于是便携式音频设备，没有 PE 线，无法使用 Y 电容，客户也不希望使用共模电感增加成本，所以主要优化 layout。
采取了以下措施：
3.1 Layout 注意事项：
1)将每个电源回路梳理，将模拟地和数字地分开，每个单元电路不要相互交叉。
BQ24133 的数字地和模拟地分开走线，在芯片下通过一个 0 欧姆电阻的单点接。
另外，BQ24133 的功率地最好跟整个产品的地适当分割，单点连接。
2)减小谐波回路面积，对 LM3478，如图，MOS 管开通时，Cin，L 和 MOS 构成一个回路对电感充电，请看图 2（a）的 Cycle1。
MOS 管关断时，Cin，L，D，Cout构成另一个回路对电感放电，请看图 2（b）中的 Cycle2。
对于二极管 D，交替工作在正向导通和反向截止的状态，因此，有很高的反向恢复尖峰电压，需要在二极管两端加Snubber电路来抑制这个尖峰电压，以避免产生过大的共模噪声。
这两个回路的工作频率是 MOS 的开关频率，谐波分量大，布板时要尽量减小谐波回路的面积。
要把这两个功率回路的器件靠近放置，走大铜皮宽走线，减小开关频率谐波的回路阻抗。
图 2：LM3478 工作原理图
BQ24133 实质是一个 Buck 回路。
也有类似的问题。
请看图 3，BQ24133 工作原理图，输入电容C1，整流管开通，续流管关断，整流管电感和负载构成一个高频回路，有很高的dI/dT。
另外，整流管关断，续流管开通时，电感电流通过续流管续流（在重载时续流管工作在电感电流连续模式），电感电流没有减小到零时整流管又会开通，这是续流管被强制加反向电压而截止，产生很高的反向恢复电压尖峰（虽然是同步整流，由于死区的存在，死区时间内仍然是二极管整流），这会导致比较大的共模噪声，所以需要在 SW 对 PGND 加Snubber电路来抑制续流管的反向尖峰。
因此，输入滤波电容 C1、电感 L1 和输出滤波电容 C2 应尽量靠近芯片布置，减小高频回路面积。
功率回路走线应走大铜皮宽走线，减小谐波阻抗，最好都布置在 PCB 的同层，Snubber放置在紧靠下管的位置。
图 3：BQ24133 高频电流回路图
总的来说，LM3478 和 BQ24133 的输入输出走整块大铜皮，将输入电容和输出电容紧靠功率开关管，使回路围成的面积最小。
选择 ESR 较小的电容，由于成本原因，这类产品用的电容都比较差，这个项目原来用电解电容，建议多增加些瓷片电容组合使用，这样在低成本下获得好的效果。
这样使输入输出的开关频率的谐波回路尽量小，谐波阻抗尽量小，可以减小回路对外的辐射干扰。
3) 上面提到在 BQ24133 的下管加Snubber电路（加在 SW 和 PGND 之间），在 LM3478 的续流二极管加Snubber电路。
Snubber电路紧贴开关管管脚，加宽走线，高频谐波就近旁路。
首先可以先预放一个 2-3ohm 的电阻，电容取 500-1000pF。
在辐射测试中，如果裕量不足或者超规格，就适当增加 RC，以吸收更多的高频能量，如果裕量过大，应减小 RC 的值以提高效率。
4) 对于两层板来说，将电感和 MOS 等功率器件和功率器件之间走线下面的 GND 铜皮去掉或者减小。
降低开关管到 GND 的分布电容，减小共模耦合。
3.2 其他注意事项
3.2.1 布局
一般来说，如果条件允许，尽可能把电源回路跟其他电路在布局上适当分开。
例如，把电源类器件布置在 PCB 左侧，跟其他电路适当留隔离带。
输出线和端子尽量远离开关管，电感等器件。
在谐波较大的回路上，注意 PCB 走线避免用锐角，尽量倒钝角或走圆角。
3.2.2 共模电感的使用
对于多节电池，充电功率增加，电池输出线尽量减小长度，避免电池线变成辐射天线。
另外，可考虑适当增加共模电感来抑制电池线共模干扰。
3.2.3 测试注意事项 建议客户辐射测试时用蓄电池加 1.5 米线做输入源，排除 Adapter 造成的干扰。
另外，测试中调整Snubber参数，在效率和 EMI 中取得一个平衡点,RC 的值不能加的过大，以免导致 IC 过热。
所以，干扰源噪声比较大时，要考虑多种措施同时使用，以取得最优的效果。
4.结论：
经过整改后，优化了 layout，顺利通过了辐射测试。
从这个项目，总结一些经验。
首先，确定骚扰源和发射天线，增加Snubber电路吸收骚扰源的高频谐波。
其次，判断耦合路径，重点通过优化 layout，使谐波就近通过电容旁路，减少骚扰源的高频骚扰到外接长线的耦合。
EMC 设计的本质，就是如何处理好谐波的问题。