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汽車電子非隔離型變換器傳導(dǎo)與輻射EMI的產(chǎn)生,傳播與抑制

發(fā)布時(shí)間:2021-10-15 來源:MPS芯源系統(tǒng) 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】汽車電子行業(yè)中,基于安全性的考慮,對(duì)EMI的要求極為嚴(yán)格,對(duì)于汽車電子工程師也提出了挑戰(zhàn)。對(duì)各種EMI問題的建模分析,會(huì)極為有效的幫助我們減小EMI。本文就將和大家探討下非隔離型變換器(如Buck,Boost和Buck-Boost)產(chǎn)生EMI的機(jī)理,模型和抑制方法。


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圖1:汽車電子中的傳導(dǎo)和輻射EMI


電力電子系統(tǒng)中,我們會(huì)用到許多MOSFET,二極管等器件,它們?cè)诟哳l開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生高dv/dt節(jié)點(diǎn)與高di/dt環(huán)路,這些是EMI產(chǎn)生的根本原因。


EMI分傳導(dǎo)和輻射兩部分,傳導(dǎo)EMI噪聲可通過纜線或其他導(dǎo)體傳到受害設(shè)備,輻射EMI噪聲則是直接通過空間耦合到受害設(shè)備上。這兩種噪聲因?yàn)閭鞑ネ緩降牟煌?,建模和分析方法則需要分別來進(jìn)行探討。


傳導(dǎo)EMI


那傳導(dǎo)EMI怎么來分析?我們一般把它分為兩種:


差模和共模


差模噪聲(DM)主要在兩條線間流動(dòng),而共模電流則可通過設(shè)備對(duì)地的雜散電容以位移電流的形式流到地上,再流回電網(wǎng)。因?yàn)檫@兩種噪聲的傳播途徑和抑制機(jī)理不同,我們需要分別進(jìn)行建模分析。另外,在測(cè)量中,我們可以使用噪聲分離器來得到它們,據(jù)此就可知道造成EMI超標(biāo)的原因到底是差模還是共模噪聲。


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圖2:傳導(dǎo)EMI中的共模和差模噪聲


EMI建模的第一步是把開關(guān)用電流源或電壓源進(jìn)行等效,等效之后,電路各處的電流和電壓依然不變。然后可以使用疊加定理來具體分析每一個(gè)源的影響,以一個(gè) Buck 變換器為例,它的差模和共模模型分別可以簡化到以下模型(圖3,圖4)。具體過程可以參考本文末“閱讀原文”視頻中的講解。


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圖3:Buck Converter的差模噪聲模型與典型開關(guān)波形


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圖4:Buck Converter的共模噪聲模型與典型開關(guān)波形


同理,其他的非隔離變換器的模型也可得到。對(duì)于Buck來說,輸入差模噪聲的抑制可以通過選擇輸入電容以及輸入濾波器來實(shí)現(xiàn);而共模噪聲的抑制則需要減小開關(guān)節(jié)點(diǎn)的面積,以及使用共模濾波器。


我們以一個(gè)典型Buck Converter為例來解釋EMI抑制的流程與方法。


首先,通過EMI的測(cè)量與噪聲分離,發(fā)現(xiàn)差模噪聲是引起EMI超標(biāo)的主要原因(如圖5所示)。因此,降噪方法則是增加差模濾波器,采用降噪措施后結(jié)果如圖6。此方法可以推廣到各種變換器上,具體可以看本文末“閱讀原文”中的視頻介紹。


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圖5:Buck的總體,差模和共模噪聲測(cè)量結(jié)果示例


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圖6:Buck降噪后的總體,差模和共模噪聲測(cè)量結(jié)果示例


輻射EMI


對(duì)于輻射EMI來說,傳統(tǒng)手段是使用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行推導(dǎo)和分析,然而,對(duì)于工程應(yīng)用來講,繁復(fù)的公式推導(dǎo)對(duì)于理解和解決EMI問題幫助是有限的,因此,對(duì)于輻射EMI來說,我們的方法是建立有明確物理意義的電路模型來幫助解決EMI問題。如下圖7所示,輻射EMI可以認(rèn)為主要通過輸入線和輸出線組成的偶級(jí)子天線向空間輻射,而其驅(qū)動(dòng)源則為變換器本身的共模噪聲源。


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圖7:輻射EMI的產(chǎn)生機(jī)理與模型


因此,變換器本身可以通過戴維南定理等效為一個(gè)電壓源和它的串聯(lián)阻抗,而天線則使用三個(gè)阻抗來分別表示其自身損耗,向外輻射的能量,以及儲(chǔ)存的近場(chǎng)能量。我們將從變換器和天線兩個(gè)方面進(jìn)行分析。


變換器


對(duì)于變換器來說,顯然,變換器的源越小,輻射的能量也就越小,如下圖8所示,理想狀況下,對(duì)于非隔離性變換器來說,輸入與輸出地之間沒有阻抗,而等效的源(VCM)為零,也就不會(huì)產(chǎn)生EMI輻射。但實(shí)際上,由于地之間的PCB走線會(huì)產(chǎn)生電感,輸入端(P1)與輸出端(P3)之間也會(huì)產(chǎn)生壓降,這樣就導(dǎo)致了輻射EMI的產(chǎn)生。


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圖8:理想與實(shí)際Buck-Boost變換器電路模型


據(jù)此,我們可以進(jìn)行EMI建模,同理,使用電壓源(VSW)和電流源(ID)對(duì)開關(guān)等效并使用疊加定理后,如圖9所示,我們發(fā)現(xiàn)電壓源和電流源都會(huì)產(chǎn)生輻射的噪聲。


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(a)電壓源(b)電流源

圖9:Buck-Boost變換器輻射EMI的噪聲源:


根據(jù)模型,我們可以得到各個(gè)源對(duì)變換器等效源的傳遞函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中,用示波器可以測(cè)量電壓源,電流源的大小;用阻抗分析儀可以測(cè)量模型中各個(gè)阻抗的大??;再進(jìn)行計(jì)算即可預(yù)測(cè)等效源的大小。如下圖10所示,預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量的等效源的值相符。模型的合理性即得到證明。


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圖10:預(yù)測(cè)與實(shí)際測(cè)量的Buck-Boost變換器等效源


天線


另一方面,對(duì)于天線來說,我們可以根據(jù)一種固定的EMI測(cè)試中的天線長度和擺放,來測(cè)量得到它的天線增益。結(jié)合我們之前得到的變換器等效源與等效阻抗,我們即可預(yù)測(cè)實(shí)際測(cè)量中的EMI噪聲。下圖則是結(jié)果是預(yù)測(cè)的流程和方法,以及預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的比較,可以看出,兩者有很好的吻合度。


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圖11:預(yù)測(cè)與實(shí)際測(cè)量的Buck-Boost變換器的輻射EMI噪聲


因此,一個(gè)抑制輻射EMI的有效手段就是減小地的阻抗。而本次我們分享了兩種技術(shù)來達(dá)到這一目的。第一種是通過重新布線來減小輸入輸出地之間的距離,從而達(dá)到減小地平面阻抗的目的。第二種則是在輸入和輸出側(cè)跨接一個(gè)小電容,來通過旁路的方式減小輸入和輸出之間的阻抗。


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圖12:減小地平面阻抗的兩種方法:重新布線與跨接電容。


而測(cè)量結(jié)果也證實(shí)了方法的有效性,下圖中分別顯示了原始的EMI結(jié)果與重新布線后的EMI結(jié)果以及跨接電容后的EMI結(jié)果對(duì)比。由此可見,這兩種方法對(duì)于輻射EMI都有非常明顯的效果。值得一提的是,以上的方法對(duì)于非隔離型的變換器是通用的。


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圖13:輻射EMI測(cè)量結(jié)果對(duì)比:(a)原始EMI與重布線后EMI;(b)原始EMI與電容跨接EMI



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