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非隔离式变换器电磁干扰(EMI)的分析与建模方法(下)


【导读】如果在设计初期没有考虑电磁干扰(EMI)问题,那元件在最终设计阶段将很难满足 EMI 要求。对 EMI 进行建模与分析将帮助设计人员在设计之初即优化 EMI 并预测 EMI 性能。


EMI 包括两种类型:传导 EMI 和辐射 EMI。传导 EMI 通过物理接触传播(通过电缆或其他导体到达接收设备),而辐射 EMI 噪声不需要物理接触,通过开放空间传播到接收设备。


本文将讨论辐射 EMI 以及预测辐射 EMI 的建模方法。参阅本系列之上篇可以了解传导 EMI 的更多信息。


辐射 EMI


确定辐射 EMI 的传统方法是使用电磁场理论进行推导与分析。但就工程应用和建模而言,用复杂的公式推导辐射 EMI 将导致很难透彻理解EMI,而且也无从了解如何改善 EMI 问题。相比之下,创建一个电路模型,从物理上表达辐射 EMI 将更为有用。


图 1 显示了通过偶极子天线辐射的大部分辐射 EMI。该子天线由输入线和输出线组成,其驱动源是变换器的共模噪声源。


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图 1:辐射 EMI 的机制和模型


根据戴维南定理,变换器可以等效于具有串联阻抗的单个电压源。而天线具有三个阻抗,分别代表其自身损耗、辐射能量和存储的近场能量。

对变换器来说,源越小,辐射能量越少。


如图 2 所示,非隔离式变换器在理想条件下(图2上部),其输入与输出地之间无阻抗,所以输入与输出地之间没有电压变化,等效电压源(VCM)为零;这意味着不存在辐射 EMI 噪声。但在实际场景中(图2下部),由于 PCB 走线与地之间产生的电感,输入端(P1)和输出端(P3)之间会出现压降(分别表示为 ZGND1 和 ZGND2),并因此产生辐射 EMI。


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图 2:理想电路模型与实际升降压变换器


为了分析电路中如何产生辐射 EMI,需要利用替代定理创建升降压变换器的等效模型。首先,将开关(SW)和二极管替换为等效电压源(VSW)和电流源(ID),然后利用叠加定理分别分析其影响。


F图 3 显示了 VSW 电压源如何产生辐射噪声。


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图 3:电压源产生辐射 EMI


图 4 显示了电流源 (ID) 如何产生辐射噪声。


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图 4:电流源产生辐射 EMI


根据该模型可以获得每个源的传递函数,因为它与变换器的等效源相关:


● 电压源和电流源可用示波器测量。

● 模型中的每个阻抗都可使用阻抗分析仪进行测量。

● 通过计算预测等效源。

如图 5 所示,采用等效源的预测值与电路的实际测量值接近,这表明模型是准确的。


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图 5:预测与实际的升降压变换器等效源


另一方面,我们还需要考虑天线。由于线束的长度通常在测试时确定,因此在一定标准下进行EMI测试时,可以根据线束的长度和排列方式来测量天线增益。


通过结合变换器的等效源和等效阻抗,我们可以预测实际的辐射 EMI 噪声。图 6 展示了预测的流程和方法。在预测流程中,首先确定初始开关噪声和传输增益;然后获取 CM 端电压、天线的传输增益以及源与天线阻抗;最终就可以准确预测 EMI 噪声。


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图6: 预测方法


图 7 显示了相似的预测结果与实际结果,这表明该预测流程是预测辐射噪声的有效方法。


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图 7:预测辐射噪声与实际辐射噪声的比较


结语


本文探讨了采用降压变换器和升降压变换器的非隔离式变换器辐射 EMI 建模方法。本系列文章之上篇介绍了传导 EMI 以及可能产生 EMI 的无源组件。


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