簡(jiǎn)介

在設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)時(shí)，確保器件滿足電磁兼容性 (EMC) 標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，這不僅是因?yàn)榱⒎C(jī)構(gòu)有此要求，還因?yàn)殡姶鸥蓴_ (EMI) 可能導(dǎo)致的不穩(wěn)定和意外行為。由于 EMI 測(cè)試通常在最終設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，因此，如果能對(duì) EMI 進(jìn)行建模與分析，將有效幫助設(shè)計(jì)人員在包括初始設(shè)計(jì)階段在內(nèi)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都優(yōu)化 EMI，從而幫助他們避免延期并產(chǎn)生意外成本。

EMI 通過(guò)兩種路徑在電子電路中傳播：傳導(dǎo) EMI 和輻射 EMI。傳導(dǎo) EMI 通過(guò)電纜或其他有物理接觸的導(dǎo)體傳輸?shù)绞苡绊懙脑O(shè)備；而輻射 EMI 噪聲則通過(guò)開(kāi)放空間（無(wú)物理接觸）傳輸。

根據(jù)傳播路徑的不同，本系列文章將在上篇討論傳導(dǎo) EMI，在下篇中討論輻射 EMI。

傳導(dǎo)EMI

傳導(dǎo) EMI 有兩種標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型：差模 (DM) 和共模 (CM)。DM 噪聲在兩條線路間流動(dòng)。CM噪聲則在電流以位移電流的形式流到大地時(shí)產(chǎn)生；該電流通過(guò)設(shè)備的雜散電容流到大地，然后再流回電網(wǎng)。

測(cè)量 EMI 噪聲時(shí)，可以使用噪聲分離器來(lái)確定 EMI 噪聲是 DM 噪聲還是 CM 噪聲（見(jiàn)圖 1）。

在對(duì)傳導(dǎo) EMI 進(jìn)行分析與建模時(shí)，分別分析 DM 噪聲和 CM 噪聲至關(guān)重要。

圖 2 分別顯示了DM噪聲路徑和 CM 噪聲路徑，其中 LF是輸入濾波器的電感，CF是輸入濾波器的電容。CP是開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的雜散電容，CPO則是評(píng)估板地到測(cè)試參考地之間的雜散電容。

差模（DM）噪聲

利用替代定理可計(jì)算 DM 噪聲。替代定理指出，任何支路上的電壓或電流都可以用某些元件來(lái)替換，以得到相同的電壓和電流。圖 3 顯示了用電流或電壓源（圖 3 中的IS1 和 VS2 ）替換電路內(nèi)所有開(kāi)關(guān)（圖 2 中的 S1 和 S2）后得到的降壓變換器電路。在這種情況下，等效支路后，電路的電流和電壓均保持不變。

利用疊加定理可以分析各電源對(duì)EMI的影響（見(jiàn)圖4）。這里形成 兩個(gè)電路：一個(gè)帶電流源(IS1)，另一個(gè)帶電壓源 (VS2)。因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò) LISN 的電流才會(huì)產(chǎn)生 EMI，因此可以忽略任何不產(chǎn)生 EMI 噪聲的源，這也意味著我們只需要分析有電流源的電路。

圖 5 顯示了 DM 噪聲模型。 該模型表明 DM 噪聲源為高壓側(cè)開(kāi)關(guān)電流(IS1)。通過(guò)分析圖 5 中的電路可知，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)妮斎腚娙荩–F）和輸入濾波電感（LF）可以降低 DM 噪聲電流。

共模(CM)噪聲

圖 6 顯示了如何利用替代定理和疊加定理對(duì) CM 噪聲進(jìn)行類(lèi)似的分析。在這種情況下，CM 噪聲源為充當(dāng)電壓源(VS2)的低壓側(cè)開(kāi)關(guān)（見(jiàn)圖 6）。由于 CM 噪聲通過(guò) PCB 接地層耦合，因此還需添加 CP和CPO。CP是開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)平面到地平面之間的寄生電容，它耦合了開(kāi)關(guān)噪聲；而 CPO是輸出電壓平面到地平面之間的寄生電容，它耦合了輸出電壓紋波。

圖 7 顯示了降壓電路中的 CM 噪聲模型。對(duì)于 CM 噪聲，由于輸入和輸出電容（分別為 CIN和COUT）的阻抗遠(yuǎn)小于 CP和CPO，因此在分析時(shí)可以將它們視為短路。通過(guò)選擇較低的 CP值可以降低CM噪聲，因此，縮小開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)尺寸以使CP電容盡可能小非常重要。

這種分析方法也適用于其他非隔離式變換器，例如升壓和升降壓變換器。

無(wú)源組件

盡管上述內(nèi)容已經(jīng)創(chuàng)建出了一個(gè)基本的 EMI 模型，但設(shè)計(jì)人員還需考慮每個(gè)組件寄生參數(shù)的影響，才能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高頻（例如超過(guò) 30MHz）EMI。

圖 8 所示為開(kāi)關(guān)電源 PCB 上常見(jiàn)的產(chǎn)生 EMI 的無(wú)源組件。

圖 9 顯示了電容的高阻抗模型。流經(jīng)電容的電流在其周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)，連接器中的導(dǎo)電材料就像一個(gè)小型寄生電阻。

圖10顯示了電感的高頻阻抗模型。其電感繞組之間產(chǎn)生的電場(chǎng)形成等效電容，而導(dǎo)體中發(fā)熱引起的功率損耗可以被視為串聯(lián)和并聯(lián)的寄生電阻。

通常，供應(yīng)商應(yīng)提供可用于確定 EMI 噪聲的所有寄生參數(shù)，但如果未提供，也可以利用阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)量。

觀察無(wú)源元件的阻抗曲線時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，阻抗的演變呈三角形（見(jiàn)圖 11）。在極高的頻率下，電容中的寄生電感會(huì)導(dǎo)致阻抗上升，因此電容表現(xiàn)出感性行為。電感則相反，寄生電容和電阻成為阻抗的主要組成部分。在開(kāi)關(guān)變換器中，電路中存在因電流和電壓急劇變化而產(chǎn)生的高頻分量。在某些高頻下，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到他們使用的組件產(chǎn)生的響應(yīng)可能與預(yù)期不同。

此外，在分析高頻EMI時(shí)，還應(yīng)考慮PCB走線上產(chǎn)生的電感，而且在EMI建模時(shí)就必須考慮到這一點(diǎn)。阻抗分析儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測(cè)量 EMI 組件并提取 PCB 上的雜散參數(shù)。當(dāng)然，一般的設(shè)計(jì)規(guī)則均建議走線盡可能地短，特別是那些有噪聲或易受噪聲影響的走線。

在對(duì)EMI 組件和PCB 雜散參數(shù)進(jìn)行分析之后，就可以對(duì)圖 2 中的模型進(jìn)行仿真（見(jiàn)圖 12）。開(kāi)關(guān)上的電壓和電流可以通過(guò)實(shí)際測(cè)量得到，也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)或IC的模型來(lái)仿真。

圖 13 顯示，如果能夠準(zhǔn)確提取 EMI 組件和 PCB 阻抗，EMI 仿真就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變換器的傳導(dǎo) EMI 結(jié)果。

總結(jié)

本文以降壓變換器和升降壓變換器為例，介紹了如何分析 EMI 噪聲并創(chuàng)建傳導(dǎo) EMI（DM 噪聲和 CM 噪聲）的建模方法，以及無(wú)源元件如何影響EMI。 本系列的下篇將討論輻射 EMI。MPS 提供了豐富的非隔離式開(kāi)關(guān)變換器和控制器，以及隔離式變換器產(chǎn)品，可滿足您的各種應(yīng)用需求。

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