【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(wèn)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。
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(kāi)關(guān)過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)進(jìn)行探討。
傳導(dǎo)EMI
那傳導(dǎo)EMI怎么來(lái)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(guò)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(lái)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。
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(kāi)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(lái)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(jiǎn)化到以下模型（圖3，圖4）。具體過(guò)程可以參考本文末“閱讀原文”視頻中的講解。
圖3：Buck Converter的差模噪聲模型與典型開(kāi)關(guān)波形
圖4：Buck Converter的共模噪聲模型與典型開(kāi)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(lái)說(shuō)，輸入差模噪聲的抑制可以通過(guò)選擇輸入電容以及輸入濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)；而共模噪聲的抑制則需要減小開(kāi)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(lái)解釋EMI抑制的流程與方法。
首先，通過(guò)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。
圖5：Buck的總體，差模和共模噪聲測(cè)量結(jié)果示例
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(lái)說(shuō)，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(lái)講，繁復(fù)的公式推導(dǎo)對(duì)于理解和解決EMI問(wèn)題幫助是有限的，因此，對(duì)于輻射EMI來(lái)說(shuō)，我們的方法是建立有明確物理意義的電路模型來(lái)幫助解決EMI問(wèn)題。如下圖7所示，輻射EMI可以認(rèn)為主要通過(guò)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。
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(guò)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(lái)分別表示其自身?yè)p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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，輸入與輸出地之間沒(méi)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。
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(kāi)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。
（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??；用阻抗分析儀可以測(cè)量模型中各個(gè)阻抗的大?。辉龠M(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。
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(lái)說(shuō)，我們可以根據(jù)一種固定的EMI測(cè)試中的天線長(zhǎng)度和擺放，來(lái)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。
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(lái)達(dá)到這一目的。第一種是通過(guò)重新布線來(lái)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(lái)通過(guò)旁路的方式減小輸入和輸出之間的阻抗。
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(jiàn)，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。
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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