【導讀】如果在設計初期沒(méi)有考慮電磁干擾(EMI)問(wèn)題，那元件在最終設計階段將很難滿(mǎn)足 EMI 要求。對 EMI 進(jìn)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(lèi)型：傳導 EMI 和輻射 EMI。傳導 EMI 通過(guò)物理接觸傳播（通過(guò)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(guò)開(kāi)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 的傳統方法是使用電磁場(chǎng)理論進(jìn)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(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，從物理上表達輻射 EMI 將更為有用。
圖 1 顯示了通過(guò)偶極子天線(xiàn)輻射的大部分輻射 EMI。該子天線(xiàn)由輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)組成，其驅動(dòng)源是變換器的共模噪聲源。
圖 1：輻射 EMI 的機制和模型
根據戴維南定理，變換器可以等效于具有串聯(lián)阻抗的單個(gè)電壓源。而天線(xiàn)具有三個(gè)阻抗，分別代表其自身?yè)p耗、輻射能量和存儲的近場(chǎng)能量。
對變換器來(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(zhù)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(xiàn)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(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。
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
根據該模型可以獲得每個(gè)源的傳遞函數，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(gè)阻抗都可使用阻抗分析儀進(jìn)行測量。
● 通過(guò)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(shí)際測量值接近，這表明模型是準確的。
圖 5：預測與實(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(xiàn)。由于線(xiàn)束的長(cháng)度通常在測試時(shí)確定，因此在一定標準下進(jìn)行EMI測試時(shí)，可以根據線(xiàn)束的長(cháng)度和排列方式來(lái)測量天線(xiàn)增益。
通過(guò)結合變換器的等效源和等效阻抗，我們可以預測實(shí)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(kāi)關(guān)噪聲和傳輸增益；然后獲取 CM 端電壓、天線(xiàn)的傳輸增益以及源與天線(xiàn)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(shí)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(shí)際輻射噪聲的比較
結語(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 EMI 以及可能產(chǎn)生 EMI 的無(wú)源組件。
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