如何使用LTspice獲得出色的EMC仿真結(jié)果—第1部分

為何要使用LTspice進(jìn)行EMC仿真？

針對EMC的設(shè)計應(yīng)該盡可能遵循產(chǎn)品發(fā)布日程表，但事實往往并非如此，因為EMC問題和實驗室測試可能將產(chǎn)品發(fā)布延遲數(shù)月。

通常，仿真?zhèn)戎赜陔娮釉O(shè)備的功能方面；但是，諸如 LTspice 之類簡單的開源工具也可以用來仿真任何設(shè)備的EMC行為。由于許多人在家工作，并且EMC實驗室的成本高昂（每天高達(dá)2000美元），因此準(zhǔn)確的EMC仿真工具更顯價值?；◣讉€小時對EMC故障和電路修復(fù)情況進(jìn)行仿真，有助于避免多次實驗室測試迭代和昂貴的硬件重新設(shè)計。

為了發(fā)揮作用，EMC仿真工具需要盡可能準(zhǔn)確。本系列文章會提供一些指南和LTspice EMC電路模型，這些模型經(jīng)過仿真并與實際實驗室測量結(jié)果非常吻合。

這是三篇系列文章的第一部分，這些文章為一個示例傳感器信號鏈提供了EMC仿真模型，其核心是MEMS振動傳感器。不過，許多器件和EMC仿真技術(shù)并非MEMS解決方案所獨有的，而是可以廣泛用于各種應(yīng)用。

●   第1部分：電源器件與傳導(dǎo)輻射和抗擾度。

●   第2部分：電纜驅(qū)動收發(fā)器鏈路上的信號完整性和瞬變魯棒性。

●   第3部分：信號調(diào)理器件及如何提高對外部噪聲的抗擾度。

使用LTspice解決輻射和抗擾度問題

閱讀本文后，您應(yīng)該能夠回答以下關(guān)鍵問題：

(a) 我的系統(tǒng)是否有可能通過EMC測試？是否應(yīng)該為共模電感、濾波電感或電容預(yù)留空間？閱讀本文后，您應(yīng)該能夠使用LTspice繪制降壓轉(zhuǎn)換器電源設(shè)計的差分和共模噪聲圖，并展示電路超過（失敗）還是未超過（成功）傳導(dǎo)輻射標(biāo)準(zhǔn)限值，如圖1所示。

圖1 差分和共模噪聲的LTspice圖，附有傳導(dǎo)輻射限值線

(b) 是否需要線性穩(wěn)壓器來為敏感負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓？閱讀本文后，基于設(shè)計容許的降壓輸出紋波電壓電平，您應(yīng)該能夠使用LTspice了解降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端是否需要LDO穩(wěn)壓器。此外，本文還提供了一個可配置的電源抗擾度(PSRR)測試電路。

用于傳感器的降壓轉(zhuǎn)換器

MEMS振動傳感器通常被置于一個小型金屬外殼中，其直徑通常為20 mm至30 mm，高度為50 mm至60 mm。帶有數(shù)字信號鏈的傳感器通常由長電纜提供9 VDC至30 VDC電源，功耗低于300 mW。為了能放入這種小型外殼內(nèi)，需要高效率、寬輸入范圍的微型電源解決方案。

LT8618、LT8618-3.3 和 LT8604 是緊湊型高速降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，非常適合MEMS傳感器應(yīng)用。LT8618和LT8618-3.3已有相應(yīng)的LTspice模型。LT8618具有良好的穩(wěn)壓能力，提供非常低的輸出紋波，其峰峰值小于10 mV。然而，輸出電容組的寄生電阻和電感會增加這種紋波，導(dǎo)致降壓電路產(chǎn)生有害的傳導(dǎo)輻射。容性負(fù)載、降壓穩(wěn)壓器的輸出開關(guān)寄生效應(yīng)以及PCB設(shè)計和傳感器外殼之間的耦合電容，都可能引起寄生效應(yīng)。

提取和使用寄生值

接下來介紹工程師如何使用 Würth REDEXPERT 從實際電容中提取ESL和ESR寄生值，并使用LTspice進(jìn)行電路仿真。在許多系統(tǒng)的輸入端和輸出端，電容和電感的寄生效應(yīng)對EMI性能起著重要作用。為了降低系統(tǒng)輸出紋波，分離各種寄生貢獻(xiàn)有助于用戶做出最佳選擇。

我們使用LTspice和Würth REDEXPERT流程來討論降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)輻射仿真，如圖2所示。對于降壓轉(zhuǎn)換器，通常來說，輸出紋波與信噪比(SNR)相關(guān)，而輸入紋波與EMC性能密切相關(guān)。

圖2 使用LTspice進(jìn)行傳導(dǎo)輻射仿真的流程

概述圖2所示的仿真方法之后，本文將使用 DC2822A LT8618演示板進(jìn)行實際的實驗室測量和仿真相關(guān)性分析。

使用Würth REDEXPERT數(shù)據(jù)的LTspice測試電路

降壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓是電容阻抗和電感電流的函數(shù)。為了獲得更好的仿真精度，可以使用Würth REDEXPERT來選擇4.7 μF輸出電容(885012208040)，并提取隨頻率變化的ESR和ESL。ESL和ESR有時會被加載到LTspice電容模型中，但快速檢查將證明LTspice電容數(shù)據(jù)經(jīng)常會忽略ESL。圖3a和3b顯示了兩個等效電路：(a) 使用4.7 μF輸出電容以及分立的ESL和ESR值；(b) 使用包含ESR和ESL參數(shù)的Würth電容。

圖3 LTspice測試電路：(a) 使用4.7 μF電容以及分立的ESL和ESR值；(b) 使用包含ESR和ESL參數(shù)的Würth電容

REDEXPERT顯示了許多元件的隨頻率而變化的阻抗，以幫助確定每個無源器件的關(guān)鍵寄生效應(yīng)。這些寄生值稍后可以在LTspice模型中實現(xiàn)，從而能夠單獨評估其對總電壓紋波的貢獻(xiàn)。

如前所述，LT8618提供非常低的輸出紋波，峰峰值小于10 mV。但是，當(dāng)模擬容性負(fù)載和ESL的影響時，輸出紋波電壓為44 mV p-p。在頻率范圍內(nèi)，電容ESL對噪聲的貢獻(xiàn)相當(dāng)大，如圖4的FFT圖所示。

圖4 FFT圖顯示了一個4.7 μF電容的純電容、ESL和ESR各自對頻譜的貢獻(xiàn)

使用LTspice LISN電路評估降壓輸入端的EMI合規(guī)性

為了評估傳導(dǎo)設(shè)置中的EMC合規(guī)性，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)依賴于線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)或人工電源網(wǎng)絡(luò)(AMN)。這些器件具有類似的功能，位于電路電源和被測器件(DUT)——這里是降壓轉(zhuǎn)換器——之間。LISN/AMN由低通和高通濾波器組成。低通濾波器提供從低頻電源（直流至幾百赫茲）到DUT的路徑。高通濾波器用于測量電源和返回電源線噪聲。這些電壓是在50 Ω電阻上測量，如圖5和圖61所示。在實際實驗室中，該電壓使用EMI接收器來測量。LTspice可用來探測噪聲電壓并繪制傳導(dǎo)輻射測試頻譜圖。

圖5 LISN置于電源和被測器件(DUT)之間

圖6 LISN內(nèi)部的共模和差模干擾的表示

傳導(dǎo)輻射可分為兩類：共模(CM)噪聲和差模(DM)噪聲。區(qū)分CM和DM噪聲很重要，因為EMI緩解技術(shù)可能對CM噪聲有效，但對DM噪聲無效，反之亦然。由于V1和V2電壓同時輸出，因此在傳導(dǎo)輻射測試中可以使用LISN來分離CM和DM噪聲，如圖6所示

DM噪聲在電源線和返回線之間產(chǎn)生，而CM噪聲是通過雜散電容CSTRAY在電源線和接地參考平面（例如銅測試臺）之間產(chǎn)生。CSTRAY實際上模擬了降壓轉(zhuǎn)換器輸出端的開關(guān)噪聲寄生效應(yīng)。

圖6對應(yīng)的LTspice LISN電路如圖7所示。為了獲得更高的仿真精度，使用L5和L6電感來模擬LISN電源引線到測試電路的電感。電阻R10模擬測試板開槽接地層的阻抗。圖7還包括用于模擬CSTRAY的電容C10。電容C11模擬傳感器PCB和傳感器機(jī)械外殼之間的寄生電容。

圖7 LTspice LISN電路、LT8618降壓轉(zhuǎn)換器和寄生建模

運(yùn)行仿真時，應(yīng)設(shè)置LTspice以幫助LISN電路更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因為啟動條件選擇錯誤可能導(dǎo)致長期持續(xù)振蕩。

確保取消勾選"Start External DC Supply Voltages at Zero"（從零啟動外部直流電源電壓），并根據(jù)需要指定電路元件的初始條件（電壓和電流）。

圖8顯示了CM和DM噪聲，使用的是從LISN端子V1和V2測得的LTspice FTT圖。為了再現(xiàn)圖6所示的算術(shù)運(yùn)算，對于DM噪聲，V1和V2相減后乘以0.5；對于CM噪聲，V1與V2相加，結(jié)果乘以0.5。

圖8 DM噪聲（黑色）和CM噪聲（藍(lán)色）的LTspice FFT圖

在實驗室中，傳導(dǎo)輻射通常以dBμV為單位進(jìn)行測量，而LTspice的默認(rèn)單位為1 dbV。兩者之間的關(guān)系為1 dbV = 120 dBμV。

因此，DM噪聲（以dBμV為單位）的LTspice表達(dá)式為

CM噪聲的表達(dá)式為

添加傳導(dǎo)輻射限值線

LTspice FFT波形查看參數(shù)可以通過繪圖設(shè)置文件進(jìn)行編輯。使用LTspice FFT菜單，導(dǎo)航到"Save Plot Settings"（保存繪圖設(shè)置）并點擊保存。繪圖設(shè)置文件可以使用文本編輯器打開，并且可以進(jìn)行操作以添加EN 55022傳導(dǎo)輻射限值線以及相關(guān)的EMC頻率范圍（10 kHz至30 MHz）和幅度（0 dBμV至120 dBμV）。

EN 55022傳導(dǎo)輻射標(biāo)準(zhǔn)頻率和幅度限值可以利用Excel進(jìn)行操作，以提供正確的語法來復(fù)制和粘貼到LTspice繪圖設(shè)置文件，如圖9所示。線定義可以粘貼到繪圖設(shè)置參數(shù)中，如圖10所示。圖10還顯示了X頻率和Y幅度參數(shù)。

圖9 生成正確的語法以復(fù)制并粘貼到LTspice繪圖設(shè)置文件

圖10 添加傳導(dǎo)輻射通過/失敗線定義和頻率/幅度刻度

圖11顯示了傳導(dǎo)輻射限值線，以及降壓電路的DM和CM傳導(dǎo)輻射。電路在2.3MHz至30 MHz頻段內(nèi)未通過輻射測試。

圖11 LTspice FFT圖和EN 55022傳導(dǎo)輻射限值線

解決降壓轉(zhuǎn)換器EMI

為了降低電路的DM噪聲，可以在輸入軌上放置一個ESL和ESR非常低的電容，例如C12 22 μF Würth 885012209006，如圖12所示。

圖12 決降壓轉(zhuǎn)換器輻射問題

為了降低CM噪聲，可以從LTspice庫中選擇Würth共模扼流圈，例如250 μH 744235251（WE-CNSW 系列）。封裝尺寸4.5 mm × 3.2 mm × 2.8 mm非常適合空間受限的MEMS傳感器外殼。圖13顯示了問題解決后的降壓轉(zhuǎn)換器的FFT圖。

圖13 解決降壓轉(zhuǎn)換器問題后的FFT圖

使用DC2822A LT8618演示板的實際實驗室測量和仿真相關(guān)性

本文為LTspice進(jìn)行傳導(dǎo)輻射仿真提供了指導(dǎo)。這些方法可用于任何降壓轉(zhuǎn)換器電路?，F(xiàn)在我們將注意力轉(zhuǎn)向使用DC2822A LT8618演示板的仿真和EMC實驗室相關(guān)性，如圖14所示。DC2822A演示板包括多個輸入和輸出電容，這些電容未包含在以前的仿真模型中（例如圖7和圖12）。圖15中顯示的LTspice模型包括這些電容，以及使用Würth REDEXPERT獲得的電容ESL和ESR值。

圖14 DC2822A LT8618演示板

圖15 DC2822A演示板VIN配置對應(yīng)的LTspice模型

DC2822A演示板包括兩個電源輸入：VIN和VEMI。VIN輸入電源軌繞過了PCB上使用的鐵氧體磁珠。圖15 LTspice模型對應(yīng)于演示板VIN配置。圖16顯示了LTspice仿真的FFT，共模輻射在2 MHz時略微超過傳導(dǎo)輻射限值線。

圖16 DC2822A VIN 配置對應(yīng)的LTspice FFT圖

為了減少仿真時間，并優(yōu)化LTspice仿真與DC2822A演示板實驗室測量的匹配度，相比之前的模型（圖7和圖12），我們對圖15進(jìn)行了以下更改：

●   無需模擬外殼和PCB之間的100 pF電容。我們只為DC2822A演示板建模。

●   從一開始就假設(shè)這個設(shè)計良好的PCB上的開關(guān)噪聲可以忽略不計。之前，我們在圖7和圖12中估計了5 pF的開關(guān)噪聲。

●   忽略LISN和DC2822A演示板之間導(dǎo)線的非常小電感。

●   添加1 kΩ電阻與50 μH LISN電感并聯(lián)以減少仿真時間（縮短LISN建立時間）。

對圖15電路進(jìn)行上述改變之后，圖17顯示了LTspice仿真與EMC實驗室中DC2822A演示板的實際測量的比較。LTspice仿真模型非常準(zhǔn)確地預(yù)測到實際實驗室輻射的主要峰值。

圖17 DC2822A VIN配置，LTspice和實際EMC實驗室輻射的比較

通過鐵氧體磁珠（EMI濾波器）VEMI軌測量，DC2822A演示板輕松符合60 dBμV的傳導(dǎo)輻射限值線。事實上，在較低頻率時，DC2822A演示板只有30 dBμV至35 dBμV的輻射。

傳導(dǎo)抗擾度

有線狀態(tài)監(jiān)控傳感器具有嚴(yán)格的抗擾度要求。對于鐵路、自動化和重工業(yè)（例如紙漿和紙張加工）的狀態(tài)監(jiān)控，振動傳感器解決方案需要輸出低于1 mV的噪聲，以避免在數(shù)據(jù)采集/控制器處觸發(fā)錯誤的振動水平。這意味著電源設(shè)計向測量電路（MEMS信號鏈）輸出的噪聲必須非常低（低輸出紋波）。電源設(shè)計還必須不受耦合到電源電纜的噪聲的影響（高PSRR）。

如前所示，由于非理想的容性負(fù)載和突發(fā)操作，LT8618可能有數(shù)十毫伏的輸出紋波。對于MEMS傳感器應(yīng)用，LT8618的輸出端需要一個超低噪聲和高PSRR的LDO穩(wěn)壓器，例如 LT3042。

針對抗擾度(PSRR)的靈活仿真電路

圖18所示的LTspice電路可用來仿真LT3042的PSRR。圖18所示的時域瞬變模型是交流掃描方法的替代方法。這種時域模型比交流方法更靈活，甚至允許用戶對開關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR進(jìn)行仿真。仿真電路頻率掃描電壓輸入軌的變化，并模擬輸出電壓的相應(yīng)變化。換句話說，仿真評估如下方程：PSRRLT3042 = 頻率范圍內(nèi)(VIN變化)/(VOUT變化)。

圖18 在10 kHz至80 MHz范圍內(nèi)仿真LT3042 LDO穩(wěn)壓器的PSRR

圖18含有幾個強(qiáng)大的語句。.meas和.step語句的組合使用戶能夠在LDO輸入端添加電壓噪聲源，并在頻率范圍內(nèi)測量電壓輸入階躍變化情況下的LDO PSRR。

.meas語句

允許用戶在一個時間范圍內(nèi)測量信號的峰峰值并將其輸出到SPICE錯誤日志。圖18測量了輸入和輸出紋波，并計算測量數(shù)據(jù)的PSRR。所有這些都輸出到SPICE錯誤日志中。

.step語句

在單次仿真運(yùn)行中，.step命令可用于掃描變量的一系列值。圖18中的.step語句在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)階躍改變V2電壓源正弦波。

C2輸出電容初始電壓可設(shè)置為3.3V，以加快建立（和仿真）時間。這是通過編輯電容屬性來完成的，通過禁用LTspice中的"Start External DC Supply Voltage at 0 V"選項可以進(jìn)一步加快速度。

使用SPICE錯誤日志

仿真完成后，右鍵單擊其中一個窗口，選擇查看并選擇SPICE錯誤日志（或使用Ctrl+L熱鍵）。SPICE錯誤日志包含.meas語句的數(shù)據(jù)點。

要繪制.meas數(shù)據(jù)圖，請右鍵單擊錯誤日志并選擇繪制階躍.meas數(shù)據(jù)，右鍵單擊空白屏幕以選擇"Add Trace"（添加跡線，或使用Ctrl+A）并選擇PSRR。右鍵單擊x軸，選中單選按鈕以顯示對數(shù)刻度。這將顯示PSRR隨頻率的變化，如圖19所示。

圖19 繪制LT3042 LDO穩(wěn)壓器的仿真PSRR圖

原始LT3042數(shù)據(jù)手冊曲線中的一些偽影不可見（約2 MHz），但整體形狀和值與數(shù)據(jù)手冊接近。

圖20顯示了頻率范圍內(nèi)的輸出電壓紋波。在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)，它小于200 μV。在相同頻率范圍內(nèi)，輸入電壓紋波為1 V p-p。LT3042為噪聲敏感的MEMS解決方案提供了出色的PSRR和低噪聲電源。

圖20 繪制LT3042仿真輸出電壓紋波隨頻率的變化圖

使用SPICE錯誤日志的.meas方法可用來仿真許多其他參數(shù)，包括：

●   開關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR

●   PSRR、電壓差與頻率三者的關(guān)系

●   PSRR與旁路網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系

●   RMS輸出紋波與直流輸入的關(guān)系

●   效率與元件值的關(guān)系

小結(jié)

本文提供了LTspice仿真電路和方法，用以繪制降壓轉(zhuǎn)換器電源設(shè)計的差分和共模噪聲圖。本文讓用戶能夠繪制傳導(dǎo)輻射限值線，并幫助預(yù)測EMC實驗室故障。仿真方法通過實驗室測量得到驗證，與LT8618 DC2822A演示板實測結(jié)果匹配。

在LT8618降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端使用LT3042 LDO穩(wěn)壓器，可為MEMS傳感器應(yīng)用提供超低噪聲、高PSRR解決方案。針對PSRR的靈活仿真電路表明結(jié)果與LT3042數(shù)據(jù)手冊有良好的一致性。在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)，即使存在較大的1 V p-p輸入電壓噪聲，LT3042的仿真輸出紋波也小于200 μV。

參考電路

1 Ling Jiang、Frank Wang、Keith Szolusha和Kurk Mathews。 “傳導(dǎo)輻射測試中分離共模和差模輻射的實用方法” 。模擬對話，第55卷第1期，2021年1月。

2 Gabino Alonso. “LTspice：使用 .MEAS 和 .STEP 命令計算效率” 。ADI公司

關(guān)于作者

Richard Anslow是ADI公司工業(yè)自動化事業(yè)部的高級經(jīng)理，從事軟件系統(tǒng)設(shè)計工程工作。他的專長領(lǐng)域是狀態(tài)監(jiān)控、電機(jī)控制和工業(yè)通信設(shè)計。他擁有愛爾蘭利默里克大學(xué)工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。最近，他完成了普渡大學(xué)人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)的研究生課程。

Sylvain Le Bras是Würth Elektronik的一名現(xiàn)場應(yīng)用工程師，專注于電源和電磁兼容性。加入Würth Elektronik之前，Sylvain在ABB和技術(shù)轉(zhuǎn)讓實驗室擔(dān)任過多種研發(fā)職位。他畢業(yè)于法國南特大學(xué)理工學(xué)院，獲工程碩士學(xué)位。