【導(dǎo)讀】如果在設(shè)計初期沒有考慮電磁干擾(EMI)問題,那元件在最終設(shè)計階段將很難滿足 EMI 要求。對 EMI 進行建模與分析將幫助設(shè)計人員在設(shè)計之初即優(yōu)化 EMI 并預(yù)測 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)方法是使用電磁場理論進行推導(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)建一個電路模型,從物理上表達輻射 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)動源是變換器的共模噪聲源。
圖 1:輻射 EMI 的機制和模型
根據(jù)戴維南定理,變換器可以等效于具有串聯(lián)阻抗的單個電壓源。而天線具有三個阻抗,分別代表其自身損耗、輻射能量和存儲的近場能量。
對變換器來說,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(VCM)為零;這意味著不存在輻射 EMI 噪聲。但在實際場景中(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)之間會出現(xiàn)壓降(分別表示為 ZGND1 和 ZGND2),并因此產(chǎn)生輻射 EMI。
圖 2:理想電路模型與實際升降壓變換器
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(VSW)和電流源(ID),然后利用疊加定理分別分析其影響。
F圖 3 顯示了 VSW 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 (ID) 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源的傳遞函數(shù),因為它與變換器的等效源相關(guān):
● 電壓源和電流源可用示波器測量。
● 模型中的每個阻抗都可使用阻抗分析儀進行測量。
● 通過計算預(yù)測等效源。
如圖 5 所示,采用等效源的預(yù)測值與電路的實際測量值接近,這表明模型是準(zhǔn)確的。
圖 5:預(yù)測與實際的升降壓變換器等效源
另一方面,我們還需要考慮天線。由于線束的長度通常在測試時確定,因此在一定標(biāo)準(zhǔn)下進行EMI測試時,可以根據(jù)線束的長度和排列方式來測量天線增益。
通過結(jié)合變換器的等效源和等效阻抗,我們可以預(yù)測實際的輻射 EMI 噪聲。圖 6 展示了預(yù)測的流程和方法。在預(yù)測流程中,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 EMI 噪聲。
圖6: 預(yù)測方法
圖 7 顯示了相似的預(yù)測結(jié)果與實際結(jié)果,這表明該預(yù)測流程是預(yù)測輻射噪聲的有效方法。
圖 7:預(yù)測輻射噪聲與實際輻射噪聲的比較
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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