【導讀】汽車(chē)電子行業(yè)中，基于安全性的考慮，對EMI的要求極為嚴格，對于汽車(chē)電子工程師也提出了挑戰。對各種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的機理，模型和抑制方法。
圖1：汽車(chē)電子中的傳導和輻射EMI
電力電子系統中，我們會(huì )用到許多MOSFET，二極管等器件，它們在高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生高dv/dt節點(diǎn)與高di/dt環(huán)路，這些是EMI產(chǎn)生的根本原因。
EMI分傳導和輻射兩部分，傳導EMI噪聲可通過(guò)纜線(xiàn)或其他導體傳到受害設備，輻射EMI噪聲則是直接通過(guò)空間耦合到受害設備上。這兩種噪聲因為傳播途徑的不同，建模和分析方法則需要分別來(lái)進(jìn)行探討。
傳導EMI
那傳導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(xiàn)間流動(dòng)，而共模電流則可通過(guò)設備對地的雜散電容以位移電流的形式流到地上，再流回電網(wǎng)。因為這兩種噪聲的傳播途徑和抑制機理不同，我們需要分別進(jìn)行建模分析。另外，在測量中，我們可以使用噪聲分離器來(lái)得到它們，據此就可知道造成EMI超標的原因到底是差模還是共模噪聲。
圖2：傳導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；而共模噪聲的抑制則需要減小開(kāi)關(guān)節點(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的測量與噪聲分離，發(fā)現差模噪聲是引起EMI超標的主要原因（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，差模和共模噪聲測量結果示例
圖6：Buck降噪后的總體，差模和共模噪聲測量結果示例
輻射EMI
對于輻射EMI來(lái)說(shuō)，傳統手段是使用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行推導和分析，然而，對于工程應用來(lái)講，繁復的公式推導對于理解和解決EMI問(wèn)題幫助是有限的，因此，對于輻射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可以認為主要通過(guò)輸入線(xiàn)和輸出線(xiàn)組成的偶級子天線(xiàn)向空間輻射，而其驅動(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(xiàn)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，以及儲存的近場(chǎng)能量。我們將從變換器和天線(xiàn)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。
變換器
對于變換器來(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(xiàn)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）對開(kāi)關(guān)等效并使用疊加定理后，如圖9所示，我們發(fā)現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：
根據模型，我們可以得到各個(gè)源對變換器等效源的傳遞函數。在實(shí)驗中，用示波器可以測量電壓源，電流源的大??；用阻抗分析儀可以測量模型中各個(gè)阻抗的大??；再進(jìn)行計算即可預測等效源的大小。如下圖10所示，預測值與實(shí)際測量的等效源的值相符。模型的合理性即得到證明。
圖10：預測與實(shí)際測量的Buck-Boost變換器等效源
天線(xiàn)
另一方面，對于天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，我們可以根據一種固定的EMI測試中的天線(xiàn)長(cháng)度和擺放，來(lái)測量得到它的天線(xiàn)增益。結合我們之前得到的變換器等效源與等效阻抗，我們即可預測實(shí)際測量中的EMI噪聲。下圖則是結果是預測的流程和方法，以及預測結果和實(shí)際結果的比較，可以看出，兩者有很好的吻合度。
圖11：預測與實(shí)際測量的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)達到這一目的。第一種是通過(guò)重新布線(xiàn)來(lái)減小輸入輸出地之間的距離，從而達到減小地平面阻抗的目的。第二種則是在輸入和輸出側跨接一個(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(xiàn)與跨接電容。
而測量結果也證實(shí)了方法的有效性，下圖中分別顯示了原始的EMI結果與重新布線(xiàn)后的EMI結果以及跨接電容后的EMI結果對比。由此可見(jiàn)，這兩種方法對于輻射EMI都有非常明顯的效果。值得一提的是，以上的方法對于非隔離型的變換器是通用的。
圖13：輻射EMI測量結果對比：（a）原始EMI與重布線(xiàn)后EMI；（b）原始EMI與電容跨接EMI
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