非隔离式变换器电磁干扰（EMI）的分析与建模方法（上）

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简介

在设计电子系统时，确保器件满足电磁兼容性 (EMC) 标准至关重要，这不仅是因为立法机构有此要求，还因为电磁干扰 (EMI) 可能导致的不稳定和意外行为。由于 EMI 测试通常在最终设计阶段进行，因此，如果能对 EMI 进行建模与分析，将有效帮助设计人员在包括初始设计阶段在内的整个设计过程中都优化 EMI，从而帮助他们避免延期并产生意外成本。

EMI 通过两种路径在电子电路中传播：传导 EMI 和辐射 EMI。传导 EMI 通过电缆或其他有物理接触的导体传输到受影响的设备；而辐射 EMI 噪声则通过开放空间（无物理接触）传输。

根据传播路径的不同，本系列文章将在上篇讨论传导 EMI，在下篇中讨论辐射 EMI。

传导EMI

传导 EMI 有两种标准类型：差模 (DM) 和共模 (CM)。DM 噪声在两条线路间流动。CM噪声则在电流以位移电流的形式流到大地时产生；该电流通过设备的杂散电容流到大地，然后再流回电网。

测量 EMI 噪声时，可以使用噪声分离器来确定 EMI 噪声是 DM 噪声还是 CM 噪声（见图 1）。

图 1：传导 EMI 中的共模噪声和差模噪声

在对传导 EMI 进行分析与建模时，分别分析 DM 噪声和 CM 噪声至关重要。

图 2 分别显示了DM噪声路径和 CM 噪声路径，其中 L_F是输入滤波器的电感，C_F是输入滤波器的电容。C_P是开关节点的杂散电容，C_PO则是评估板地到测试参考地之间的杂散电容。

图 2：降压电路中的 DM路径和 CM 路径

差模（DM）噪声

利用替代定理可计算 DM 噪声。替代定理指出，任何支路上的电压或电流都可以用某些元件来替换，以得到相同的电压和电流。图 3 显示了用电流或电压源（图 3 中的I_S1 和 V_S2 ）替换电路内所有开关（图 2 中的 S1 和 S2）后得到的降压变换器电路。在这种情况下，等效支路后，电路的电流和电压均保持不变。

图 3：利用替代定理对 DM 噪声进行建模分析

利用叠加定理可以分析各电源对EMI的影响（见图4）。这里形成两个电路：一个带电流源(I_S1)，另一个带电压源 (V_S2)。因为只有通过 LISN 的电流才会产生 EMI，因此可以忽略任何不产生 EMI 噪声的源，这也意味着我们只需要分析有电流源的电路。

图 4：利用叠加定理进行建模分析

图 5 显示了 DM 噪声模型。该模型表明 DM 噪声源为高压侧开关电流(I_S1)。通过分析图 5 中的电路可知，通过选择适当的输入电容（C_F）和输入滤波电感（L_F）可以降低 DM 噪声电流。

图 5：降压变换器的 DM 噪声模型

共模(CM)噪声

图 6 显示了如何利用替代定理和叠加定理对 CM 噪声进行类似的分析。在这种情况下，CM 噪声源为充当电压源(V_S2)的低压侧开关（见图 6）。由于 CM 噪声通过 PCB 接地层耦合，因此还需添加 C_P和C_PO。C_P是开关节点平面到地平面之间的寄生电容，它耦合了开关噪声；而 C_PO是输出电压平面到地平面之间的寄生电容，它耦合了输出电压纹波。

图 6：利用替代定理和叠加定理对 CM 噪声进行建模分析

图 7 显示了降压电路中的 CM 噪声模型。对于 CM 噪声，由于输入和输出电容（分别为 C_IN和C_OUT）的阻抗远小于 C_P和C_PO，因此在分析时可以将它们视为短路。通过选择较低的 C_P值可以降低CM噪声，因此，缩小开关节点尺寸以使C_P电容尽可能小非常重要。

图 7：降压变换器的 CM 噪声模型

这种分析方法也适用于其他非隔离式变换器，例如升压和升降压变换器。

无源组件

尽管上述内容已经创建出了一个基本的 EMI 模型，但设计人员还需考虑每个组件寄生参数的影响，才能准确预测高频（例如超过 30MHz）EMI。

图 8 所示为开关电源 PCB 上常见的产生 EMI 的无源组件。

图 8：常见的EMI 无源组件

图 9 显示了电容的高阻抗模型。流经电容的电流在其周围产生磁场，连接器中的导电材料就像一个小型寄生电阻。

图 9：电容的高频等效模型

图10显示了电感的高频阻抗模型。其电感绕组之间产生的电场形成等效电容，而导体中发热引起的功率损耗可以被视为串联和并联的寄生电阻。

图 10：电感的高频等效模型

通常，供应商应提供可用于确定 EMI 噪声的所有寄生参数，但如果未提供，也可以利用阻抗分析仪或网络分析仪进行测量。

观察无源元件的阻抗曲线时会发现，阻抗的演变呈三角形（见图 11）。在极高的频率下，电容中的寄生电感会导致阻抗上升，因此电容表现出感性行为。电感则相反，寄生电容和电阻成为阻抗的主要组成部分。在开关变换器中，电路中存在因电流和电压急剧变化而产生的高频分量。在某些高频下，设计人员应考虑到他们使用的组件产生的响应可能与预期不同。