開關(guān)電源EMC知識：頻譜和串擾

本文的主題是“開關(guān)電源的EMC”，因此電氣信號是以開關(guān)信號為前提的。首先來看下面的原理示意圖。在表示開關(guān)信號的脈沖波形中，包括tw（脈沖寬度）和ts（上升/下降時間）。

中間的圖是基于傅里葉變換的理論上的脈沖波形頻譜。這是“振幅隨著頻率的升高而衰減，衰減斜率隨著tw和ts而變化”的常見頻譜。

右圖表示脈沖的ts延遲后的頻譜變化。斜率變?yōu)?40dB/dec時的1/πts頻率降低是理所當然的，  終結(jié)果是其后的振幅減少。簡而言之就是“當ts延遲時頻譜的振幅衰減”。

接下來將使用實際的頻譜分析儀數(shù)據(jù)來看頻率等其他參數(shù)變化時的頻譜變化。這里的關(guān)鍵點是“對于信號波形的變化，頻譜將以怎樣的趨勢變化”。這是用來通過實際的開關(guān)電源電路的開關(guān)相關(guān)的頻譜來分析并解決EMC問題所必須的知識。

波形變化與頻譜變化

前面給出的圖是用來比較的默認條件下的數(shù)據(jù)。下面波形圖中的條件是：振幅10V，頻率400kHz，Duty（占空比）50%，tr/tf（上升時間/下降時間）10ns。

中間的圖表示n次諧波和振幅（V）的關(guān)系。1倍的頻率＝基波，也就是說400kHz的分量大，以奇數(shù)倍的頻率形成頻譜。

諧波僅為奇數(shù)次是Duty為50%＝1：1的頻譜特征。各分量的大小為基波分量的1/次數(shù)，例如3次諧波分量為1/3，n次諧波分量為1/n。

右圖是振幅為dB?V的對數(shù)曲線圖。順便提一下，dBμV是基于以1?V電壓為基準的電壓比的dB值。

①將頻率變更為2MHz時的頻譜。從頻率－振幅（dBV）關(guān)系圖可以明確看出，當頻率增加時振幅整體增加。

②tr和tf同時延遲為100ns時的頻譜。結(jié)果如原理示意圖所示，進入-40dB/dec衰減時的頻率降低，頻譜的振幅衰減。

③將Duty50%變?yōu)?0%時的頻譜。由于Duty不是1:1，因此會產(chǎn)生偶次諧波，但峰值基本上沒變化。隨著脈沖寬度tw變窄，基波頻譜的振幅衰減。

④僅tr（上升時間）延遲時的頻普。tr相關(guān)的分量因tr延遲而從更低的頻率開始衰減。

總而言之，當頻率較低且上升/下降較慢時，頻譜會衰減。從EMC的角度來看，也就是頻譜的振幅較低時更有利。

另外，這里的“頻譜”是指英語的“Spectrum”。雖然這并非本文主題，但稍微介紹一下僅作為了解。

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串擾 

串擾是由于線路之間的耦合引發(fā)的信號和噪聲等的傳播，也稱為“串音干擾”。特別是“串音”在模擬通訊時代是字如其意、一目了然的表達。兩根線（也包括PCB的薄膜布線）獨立的情況下，相互間應該不會有電氣信號和噪聲等的影響，但尤其是兩根線平行的情況下，會因存在于線間的雜散（寄生）電容和互感而引發(fā)干擾。所以，串擾也可以理解為感應噪聲。

線間耦合有雜散（寄生）電容引發(fā)的電容（靜電）耦合和互感引發(fā)的電感（電磁）耦合。這些耦合現(xiàn)象會引發(fā)干擾。

上圖中用公式給出了將兩者從噪聲源的布線模式1到附近的布線模式2所產(chǎn)生的噪聲電壓Vn。R為電阻，C為電容，M為互感，Vs為噪聲源電壓，Is為噪聲源電流。

在這里請記住，平行的布線間會發(fā)生串擾。順便提一下，如果布線是正交結(jié)構(gòu)，則雜散電容和互感都會顯著減少。

關(guān)鍵要點：

平行的布線間會產(chǎn)生串擾。

串擾的因素有雜散（寄生）電容引發(fā)的電容（靜電）耦合和互感引發(fā)的電感（電磁）耦合。

來源：EDA365電子論壇