磁场测量是降低DC/DC电磁干扰的关键所在

　　由性能驱动的测量仪器需要低噪声高带宽线性前端电路，这些电路应组合性能同样好的 A/D 转换器和时钟（图 1）。设计者努力在早期的处理链中把感兴趣的测量量化成为数字信号，来排除不需要的噪声。请访问您最喜欢的仪器网站，对直流测量仪器和交流电源及测量仪器作短暂搜寻，会找出动态范围是120dB或更大的仪器。动态范围工程其实是对所有杂散信号源的搜索。高性能仪器设计者必须意识到所有潜在的噪声源，而不仅仅是电源、数字活动等通常的故障来源。当动态范围超过 100dB时，高 SNR 工程会导致人们对FPGA 中运行的充电泵、当处理器启动和停止时产生的热梯度、来自仪器顶部其它仪器的磁耦合等开展研究。设计的很大部分是把精密模拟电路同内部和外部电磁活动隔离开来。
   
   　　如今的仪器与测量业正在经历转型。在多年以性能为基础的工程之后，市场力量正在导致新的开放式体系结构（图 2）。由于客户希望在不影响性能的前提下实现开放式体系结构 的好处，因此新环境带来了新的工程挑战。
   
   　　以半导体测试为例，SoC（单片系统）IC 的测试要求扩大了测试系统必须包含的仪器的广度。产品上市时间和大型 ATE（自动化测试设备）系统拥有的成本已共同确定了对开放式测试系统体系结构的严格需求（参考文献 1）。但是这一潮流超越了 ATE 的界限。人们日益需要高性能模块化 VXI 和 PXI 仪器，以便开展生产测试和特征描述。测试设备体系结构正在开始成为一项策略，目的是通过更大的灵活性来降低成本，而更大的灵活性会带来更高的效率和复用率以及供应商之间更低的竞争壁垒。

　　那么，这一潮流使仪器开发团队处于什么位置呢？在由性能驱动的设计时代，开发团队控制了系统体系结构的很大部分。在 VXI 等开放的卡片式模块化体系结构领域则不然，在这类体系结构中，背板接口和物理封装的种种限制极大地约束着设计工程师。工程师们需要更注重环境问题，比如冷却、电源转换、EMI（电磁干扰）。其中较严峻的挑战之一就是来自仪器系统内部的电源转换元件的 EMI。系统内部的 DC/DC 转换器减轻了空间和电源约束组合，但它也产生了噪声，这可能成为无杂散动态范围的限制因素。无论这种噪声是来自受影响的仪器，还是来自某个噪声很大的邻近设备（它的设计不需要对动态范围要求予以同等重视），都可能发生这种情况。

　　对于开放式体系结构的仪器，无论下一个槽中的设备是高度动态的电源，还是一组 200MHz 数字引脚驱动器，仪器都必须符合系统规范。在这种环境中，所有仪器都必须经过测试，来证明它们符合某种场辐射分布，它对所有仪器提出了相同的辐射和易感性要求。
   　　磁耦合
  　　近场辐射 EMI 会对敏感的仪器产生噪声问题。近场包括与源头的阻抗成比例的电场和磁场（参考文献2）。低阻抗电路（即相对于自由空间或空气的 377Ω 阻抗）主要辐射磁场，而高阻抗电路主要辐射电场。耦合包括电容性耦合和互感性耦合，这取决于存在的场以及受影响电路的结构。由于开关模式电源电路中的电路阻抗往往很低，并且电场较易被屏蔽，因此本文重点介绍磁耦合（图 3）。
   
   　　根据法拉第定律，电路中的电动势（本质上是电压加上任何电阻性损耗）与电路内的磁通量变化速率成比例。如果变化速率为零，则不会感应出电压。磁干扰是交流电问题，耦合程度会随着频率增加而提高。

　　磁通量 ΦM 可自感产生，此时是电感和电流的乘积，或被互感产生，此时是磁通量密度和环（线圈）面积的乘积（见附文1《磁性电路》）。以下公式中的关系很有趣：E=-dΦM/dt=d(LI)/dt=-d(BAcosθ)/dt，其中 I 是电流、B 是磁通量密度、L 是电感量。该公式表明：通过改变任何一个或多个参数，可以将误差电压感应进入电路。电流、磁场或电感（环面积）的额定百分比变化会对感应电压产生相同影响。因此，缩小高性能电路中的环面积来消除来自传导辐射的误差，这一设计做法还可减小来自磁耦合的误差。

　　虽然高性能设计做法要求把环面积降至最小限度，并屏蔽滤波电感等必然敏感的元件，但最好在它们的源头就终止噪声辐射。为此，仪器设计者们喜欢在选择用于仪器中的电源转换器之前，在时域和频域中比较近场性能。然而，磁场规范还没有达到这个成熟度，因此器件特征描述是必要的。
   　　测量实例

　　例如，借助一个小型环状天线对两种规格类似的DC/DC转换器做磁场辐射特征描述。两种转换器都是1/8砖、宽输入范围的器件，具有相同的输入电压48V、输出电压 5V、负载电阻4Ω。两种转换器具有相同的转换体系结构--一个固定比率隔离级跟随在一个稳压级后面，以支持35V ~ 75V输入范围。这     
   些转换器在设计方案内部具有两个电源磁性区，但二者运行在相同频率。两种转换器都未在规范表中提供磁辐射数据。

　　在这种特征描述设置中（图4），一个小型拾波环可检测 DC/DC 转换器上方区域内的磁场（见附文2《制作自己的磁场测量探头》）。放大的环输出端连接到示波器和频谱分析仪。DC/DC 转换器的磁辐射包含来自基本开关频率（达到 50MHz 或更高）的很宽的能带。应把被测信号的分配网络看作高频传输线路，这很重要。信号借助示波器输入端的 BNC 座穿过高阻抗示波器输入端。线路在频谱分析仪输入端终止。
   
   　　为了最好地显示邻近槽中受影响的电路，应把探针定位在平行于转换器的印制电路板基板的一个平面中。扫描板的表面达到最大输出；最强的场在隔离变压器（第二级）上方。测量是在变压器顶面上方大约 0.65 英寸处进行的，测量目的是把拾波环放在该平面上方 1 英寸的位置，如果您把转换器安装在某种合适的通孔设计中，那么这个平面就代表了主板表面（图 5）。
   
   　　如果查看时域中的测量结果，您会看到转换器的基频和振铃频率，您就能辨别磁场强度（图 6）。这些转换器显示出了转换器磁设计中的折衷。隔离变压器 的泄漏电感和磁化电感互耦到测量探头。正如测量过程中的较高基本场所表明的那样，X 品牌在其隔离变压器中的磁化电感明显低。Y 品牌的泄漏电感更低，因此振铃频率更高。开关瞬间发生的振铃源于泄漏电感和开关的寄生电容。
   
   　　可根据早期公式的派生关系（方波响应意味着磁通量发生线性变化）来做两项观察。磁分量是在线性区域中工作，而电流呈线性增加。概括而言，X品牌的磁场是一种 18mtesla p-p三角波（见附文3《把电压测量值转换成磁场数据》）。

　　虽然较低的泄漏电感对降低辐射量更好，但较高频率的谐振在较高频率时耦合了较高的峰值电压（图 7）。如果对开关瞬间做更密切地观察，就能深入了解 DC/DC 转换器内部的谐振。
   
   　　如果您关心的主要问题是交流电源或交流电捕获仪器中的频谱干扰，那么您对频谱分析仪提供的信息也许更有兴趣。大致看看 Y 品牌的磁场频谱，您就会发现谐振是在 10MHz 附近，而各分量在20 MHz ~ 25MHz时达到峰值（图8）。表1概括了来自这些样品的数据。
   
   
   　　开放式仪器体系结构为 DC/DC 转换器提供了重要作用。如果转换器不是对性能起限制作用的噪声来源，那么它们就为大量应用打开了一个平台。本文用高带宽磁探头检查了两种类似的转换器，并发现了不同结果。由于系统的安静程度是由噪声最大的邻近设备决定的，因此任何希望参与开放式仪器开发工作的人都应该仔细地评估，以确保一个与性能相容的环境。
   参考文献
1. Perez, Sergio M, "The Critical Need for Open ATE Architecture," Proceedings of the International Test Conference, pg 1409, 2004.
2. Ott, Henry W, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, Second Edition, pg 159, John Wiley & Sons, 1988.

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   　　附文1：磁性电路

　　电气工程师似乎最喜欢与用理想导体建立信号连接的电路打交道。电感在帮助解决滤波等频域问题方面还不错，但存在忽略磁分量的倾向。

　　不要害怕磁性电路。在了解电路工作方面，观察电感和电容器之间的相似性是有帮助的（图 a 和 b 以及参考文献 A）。电容器的各极板之间的电场强度只取决于电压和极板之间的物理距离 d：E=V/d（单位是伏/米）。
   
   
   
   
　　导体周围的磁场强度只取决于电流和导体的物理宽度 w：H=I/w（单位是安培/米）。磁场强度有时被称作磁化力。

　　电容器是极板面积、极板之间距离、极板之间介质材料的函数。电容 C=(εwl)/d。介质常数的单位是法拉/米。与低介质常数相比，高介质常数在给定极板面积中产生更大的电容量，从而使极板隔离度保持恒定。< br>
　　导体构成一个环，从而形成电感器。电感值是环面积、导体宽度、导体周围材料磁导率的函数：L=(mdl)/w。磁芯的磁导率的单位是亨利/米。与电容器类似的是，与磁导率低的材料相比，高磁导率在给定的环面积中产生更大的电感量，从而使导体宽度保持恒定。

　　在电容器中，电通量是存储的电荷的度量标准（单位是库仑）。在电容器放电时，电荷成为电流源。电容器中的电通量是电容和电压的函数：Φ=CV。

　　电感器中的磁通量类似于电容器中存储的电荷。磁通量的单位是韦伯，并在电感放电时成为电动势（开路电压）来源。磁通量是电感和电压的函数：ΦM=LI。

　　影响单位电容
   的介质也会影响电通量密度，即单位面积电荷。想象一下电容器极板上的正负电荷之间的电通线。穿过单位面积的电通线数量代表了电通量密度：D=Φ/(wl)=εE。电通量密度与电容极板之间材料的介质常数成正比。

　　磁芯的磁导率影响着电感量，因此影响着磁通量密度。以单位面积磁通量来测量磁通量密度：B=ΦM/(dl)=mH。
   
   参考文献
A. Walker, Charles S, Capacitance, Inductance and Crosstalk Analysis, Artech House, 1990.

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   　　附文2：制作自己的磁场测量探头

　　高带宽放大器向一个很小的磁环产生的信号提供大约20dB增益（图A）。您可根据应用要求，在频谱分析仪或示波器上观察探头的输出。许多交流电源仪器或交流电测量仪器需要描述 SFDR（无杂散动态范围）方面的性能，并倾向于频谱数据。但是，直流电仪器也许更关注总均方根（RMS）噪声能量，并在时域中检查场测量值。这些分量测量值则兼顾二者。
   
   
   
   
　　图B和图C展示了放大器和探针的布局。探针提供了直径为0.4英寸的圆形区域，该区域垂直于印制电路板上的电路 。一个额外的设计考虑事项就是提供平衡的输入，以便消除耦合到探针的任何电场。
   
   
   
　　该电路之所以使用高带宽电流反馈运算放大器，是因为对于仪器开发而言，最令人感兴趣的DC/DC转换器的谐振分量是25MHz ~ 60MHz。

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   　　附文3：把电压测量值转换成磁场数据

　　仪器设计     
   者在描述各种磁干扰源的特征时，也许会对标准回路产生的相对电压测量值感到满意--假定回路代表了仪器会经历的回路面积和方向。但是，由于回路和放大过程有可能不同，因此把这些电压测量值转换成场数据是有帮助的。

　　辐射电路中的电流产生了穿过测试回路的磁通量。测试回路保持固定，其中包括它对场的角度q，但磁通量密度 B 在变化，感应出电压：|VMEASURED|= KAALcosqdB/dt，其中 KA 是放大器增益、AL是回路面积（单位是平方米）、dB/dt 是磁通量密度变化速率（单位是韦伯/平方米，即特斯拉）。插入各值，注意到频谱分析仪内的终端把增益降低了一半，于是：|dB /dt|cosq=2467×VMEASURED（特斯拉）。

　　对图 A 中的开关元件考虑为 10 mV p-p 读数。可忽略开关瞬间的峰值偏差，这是因为它们不会可观地增加均方根(rms) 能量。本例有一个3ms、50% 占空比开关波形。5mV 峰值测量等同于12.3 特斯拉/秒磁通量密度变化速率。假设该速率保持1.5ms，则拾取回路方向的磁通量密度（B 场）是 18.5mtesla p-p。
   
   
   
　　以安培/米为单位测量磁化力（即 H 场），就能通过除以自由空间的导磁率（4p×10-7），从 B 场确定它。37mtesla-p-p 磁通量密度等同于空气芯电路中的 29.4A/m。

　　频谱分析仪可提供噪声耦合的另一种情景。您可以检查振铃和谐振问题。参考文献 A 提供了推导，它利用了正弦 B 场的优点：VN(w)=wKAALBR(w)cosq，其中 VN和 BR 是感兴趣的频率处的均方根量、KA 是放大器增益、AL 是回路面积、q是场矢量与垂直于回路区域的区域之间的角度。插入预定值，于是：BR cosq = 393[VN(f)/f] 2。对于一般应用，可把该公式转换成图表（图B）。
   
   
参考文献
A. Ott, Henry W, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, Second Edition, pg 38, John Wiley & Sons, 1988.