非隔離式變換器電磁干擾（EMI）的分析與建模方法（下）

如果在設計初期沒有考慮電磁干擾(EMI)問題，那元件在最終設計階段將很難滿足 EMI 要求。對 EMI 進行建模與分析將幫助設計人員在設計之初即優(yōu)化 EMI 并預測 EMI 性能。

EMI 包括兩種類型：傳導 EMI 和輻射 EMI。傳導 EMI 通過物理接觸傳播（通過電纜或其他導體到達接收設備），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備。

本文將討論輻射 EMI 以及預測輻射 EMI 的建模方法。參閱本系列之上篇可以了解傳導 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與分析。但就工程應用和建模而言，用復雜的公式推導輻射 EMI 將導致很難透徹理解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（V_CM）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 Z_GND1 和 Z_GND2），并因此產生輻射 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（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 電壓源如何產生輻射噪聲。 

圖 3：電壓源產生輻射 EMI

圖 4 顯示了電流源 (I_D) 如何產生輻射噪聲。 

圖 4：電流源產生輻射 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： 

●   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。

●   通過計算預測等效源。

如圖 5 所示，采用等效源的預測值與電路的實際測量值接近，這表明模型是準確的。 

圖 5：預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，因此在一定標準下進行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。

通過結合變換器的等效源和等效阻抗，我們可以預測實際的輻射 EMI 噪聲。圖 6 展示了預測的流程和方法。在預測流程中，首先確定初始開關噪聲和傳輸增益；然后獲取 CM 端電壓、天線的傳輸增益以及源與天線阻抗；最終就可以準確預測 EMI 噪聲。 

圖6: 預測方法

圖 7 顯示了相似的預測結果與實際結果，這表明該預測流程是預測輻射噪聲的有效方法。 

圖 7：預測輻射噪聲與實際輻射噪聲的比較

結語

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 EMI 以及可能產生 EMI 的無源組件。

MPS 擁有豐富的非隔離式開關變換器和控制器，以及隔離變換器產品，可滿足您的各種應用需求。MPS 還提供汽車級升降壓變換器和降壓變換器，可以滿足汽車應用嚴格的 EMI 要求。與此同時，MPS 還提供專業(yè)的 EMC 測試實驗室。