非隔離式變換器電磁干擾（EMI）的分析與建模方法（下）

如果在設(shè)計(jì)初期沒有考慮電磁干擾(EMI)問題，那元件在最終設(shè)計(jì)階段將很難滿足 EMI 要求。對(duì) EMI 進(jìn)行建模與分析將幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初即優(yōu)化 EMI 并預(yù)測(cè) EMI 性能。

EMI 包括兩種類型：傳導(dǎo) EMI 和輻射 EMI。傳導(dǎo) EMI 通過物理接觸傳播（通過電纜或其他導(dǎo)體到達(dá)接收設(shè)備），而輻射 EMI 噪聲不需要物理接觸，通過開放空間傳播到接收設(shè)備。

本文將討論輻射 EMI 以及預(yù)測(cè)輻射 EMI 的建模方法。參閱本系列之上篇可以了解傳導(dǎo) EMI 的更多信息。

輻射 EMI

確定輻射 EMI 的傳統(tǒng)方法是使用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行推導(dǎo)與分析。但就工程應(yīng)用和建模而言，用復(fù)雜的公式推導(dǎo)輻射 EMI 將導(dǎo)致很難透徹理解EMI，而且也無從了解如何改善 EMI 問題。相比之下，創(chuàng)建一個(gè)電路模型，從物理上表達(dá)輻射 EMI 將更為有用。

圖 1 顯示了通過偶極子天線輻射的大部分輻射 EMI。該子天線由輸入線和輸出線組成，其驅(qū)動(dòng)源是變換器的共模噪聲源。 

圖 1：輻射 EMI 的機(jī)制和模型

根據(jù)戴維南定理，變換器可以等效于具有串聯(lián)阻抗的單個(gè)電壓源。而天線具有三個(gè)阻抗，分別代表其自身?yè)p耗、輻射能量和存儲(chǔ)的近場(chǎng)能量。 

對(duì)變換器來說，源越小，輻射能量越少。

如圖 2 所示，非隔離式變換器在理想條件下（圖2上部），其輸入與輸出地之間無阻抗，所以輸入與輸出地之間沒有電壓變化，等效電壓源（V_CM）為零；這意味著不存在輻射 EMI 噪聲。但在實(shí)際場(chǎng)景中（圖2下部），由于 PCB 走線與地之間產(chǎn)生的電感，輸入端（P1）和輸出端（P3）之間會(huì)出現(xiàn)壓降（分別表示為 Z_GND1 和 Z_GND2），并因此產(chǎn)生輻射 EMI。 

圖 2：理想電路模型與實(shí)際升降壓變換器

為了分析電路中如何產(chǎn)生輻射 EMI，需要利用替代定理創(chuàng)建升降壓變換器的等效模型。首先，將開關(guān)（SW）和二極管替換為等效電壓源（V_SW）和電流源（I_D），然后利用疊加定理分別分析其影響。

F圖 3 顯示了 V_SW 電壓源如何產(chǎn)生輻射噪聲。 

圖 3：電壓源產(chǎn)生輻射 EMI

圖 4 顯示了電流源 (I_D) 如何產(chǎn)生輻射噪聲。 

圖 4：電流源產(chǎn)生輻射 EMI

根據(jù)該模型可以獲得每個(gè)源的傳遞函數(shù)，因?yàn)樗c變換器的等效源相關(guān)： 

●   電壓源和電流源可用示波器測(cè)量。

●   模型中的每個(gè)阻抗都可使用阻抗分析儀進(jìn)行測(cè)量。

●   通過計(jì)算預(yù)測(cè)等效源。

如圖 5 所示，采用等效源的預(yù)測(cè)值與電路的實(shí)際測(cè)量值接近，這表明模型是準(zhǔn)確的。 

圖 5：預(yù)測(cè)與實(shí)際的升降壓變換器等效源

另一方面，我們還需要考慮天線。由于線束的長(zhǎng)度通常在測(cè)試時(shí)確定，因此在一定標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行EMI測(cè)試時(shí)，可以根據(jù)線束的長(zhǎng)度和排列方式來測(cè)量天線增益。

通過結(jié)合變換器的等效源和等效阻抗，我們可以預(yù)測(cè)實(shí)際的輻射 EMI 噪聲。圖 6 展示了預(yù)測(cè)的流程和方法。在預(yù)測(cè)流程中，首先確定初始開關(guān)噪聲和傳輸增益；然后獲取 CM 端電壓、天線的傳輸增益以及源與天線阻抗；最終就可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè) EMI 噪聲。 

圖6: 預(yù)測(cè)方法

圖 7 顯示了相似的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果，這表明該預(yù)測(cè)流程是預(yù)測(cè)輻射噪聲的有效方法。 

圖 7：預(yù)測(cè)輻射噪聲與實(shí)際輻射噪聲的比較

結(jié)語

本文探討了采用降壓變換器和升降壓變換器的非隔離式變換器輻射 EMI 建模方法。本系列文章之上篇介紹了傳導(dǎo) EMI 以及可能產(chǎn)生 EMI 的無源組件。

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