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非隔離式變換器電磁干擾(EMI)的分析與建模方法(下)

作者: 時(shí)間:2023-08-23 來(lái)源:MPS 收藏

如果在設(shè)計(jì)初期沒(méi)有考慮電磁干擾(EMI)問(wèn)題,那元件在最終設(shè)計(jì)階段將很難滿足 EMI 要求。對(duì) EMI 進(jìn)行建模與分析將幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初即優(yōu)化 EMI 并預(yù)測(cè) EMI 性能。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202308/449852.htm

EMI 包括兩種類型:傳導(dǎo) EMI 和輻射 EMI。傳導(dǎo) EMI 通過(guò)物理接觸傳播(通過(guò)電纜或其他導(dǎo)體到達(dá)接收設(shè)備),而輻射 EMI 噪聲不需要物理接觸,通過(guò)開(kāi)放空間傳播到接收設(shè)備。

本文將討論輻射 EMI 以及預(yù)測(cè)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(chǎng)理論進(jìn)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(wú)從了解如何改善 EMI 問(wèn)題。相比之下,創(chuàng)建一個(gè)電路模型,從物理上表達(dá)輻射 EMI 將更為有用。

圖 1 顯示了通過(guò)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(dòng)源是的共模噪聲源。 

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圖 1:輻射 EMI 的機(jī)制和模型

根據(jù)戴維南定理,可以等效于具有串聯(lián)阻抗的單個(gè)電壓源。而天線具有三個(gè)阻抗,分別代表其自身?yè)p耗、輻射能量和存儲(chǔ)的近場(chǎng)能量。 

對(duì)來(lái)說(shuō),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(wú)阻抗,所以輸入與輸出地之間沒(méi)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(shí)際場(chǎng)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(huì)出現(xiàn)壓降(分別表示為 ZGND1 和 ZGND2),并因此產(chǎn)生輻射 EMI。 

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圖 2:理想電路模型與實(shí)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(kāi)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。 

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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。 

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圖 4:電流源產(chǎn)生輻射 EMI

根據(jù)該模型可以獲得每個(gè)源的傳遞函數(shù),因?yàn)樗c變換器的等效源相關(guān): 

●   電壓源和電流源可用示波器測(cè)量。

●   模型中的每個(gè)阻抗都可使用阻抗分析儀進(jìn)行測(cè)量。

●   通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)等效源。

如圖 5 所示,采用等效源的預(yù)測(cè)值與電路的實(shí)際測(cè)量值接近,這表明模型是準(zhǔn)確的。 

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圖 5:預(yù)測(cè)與實(shí)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(zhǎng)度通常在測(cè)試時(shí)確定,因此在一定標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行EMI測(cè)試時(shí),可以根據(jù)線束的長(zhǎng)度和排列方式來(lái)測(cè)量天線增益。

通過(guò)結(jié)合變換器的等效源和等效阻抗,我們可以預(yù)測(cè)實(shí)際的輻射 EMI 噪聲。圖 6 展示了預(yù)測(cè)的流程和方法。在預(yù)測(cè)流程中,首先確定初始開(kāi)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(cè) EMI 噪聲。 

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圖6: 預(yù)測(cè)方法

圖 7 顯示了相似的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果,這表明該預(yù)測(cè)流程是預(yù)測(cè)輻射噪聲的有效方法。 

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圖 7:預(yù)測(cè)輻射噪聲與實(shí)際輻射噪聲的比較

結(jié)語(yǔ)

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(wú)源組件。

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