非隔离式变换器电磁干扰（EMI）的分析与建模方法（下）
简介
如果在设计初期没有考虑电磁干扰(EMI)问题，那元件在最终设计阶段将很难满足 EMI 要求。对 EMI 进行建模与分析将帮助设计人员在设计之初即优化 EMI 并预测 EMI 性能。
EMI 包括两种类型：传导 EMI 和辐射 EMI。传导 EMI 通过物理接触传播（通过电缆或其他导体到达接收设备），而辐射 EMI 噪声不需要物理接触，通过开放空间传播到接收设备。
本文将讨论辐射 EMI 以及预测辐射 EMI 的建模方法。参阅本系列之上篇可以了解传导 EMI 的更多信息。
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辐射 EMI
确定辐射 EMI 的传统方法是使用电磁场理论进行推导与分析。但就工程应用和建模而言，用复杂的公式推导辐射 EMI 将导致很难透彻理解EMI，而且也无从了解如何改善 EMI 问题。相比之下，创建一个电路模型，从物理上表达辐射 EMI 将更为有用。
图 1 显示了通过偶极子天线辐射的大部分辐射 EMI。该子天线由输入线和输出线组成，其驱动源是变换器的共模噪声源。
图 1：辐射 EMI 的机制和模型
根据戴维南定理，变换器可以等效于具有串联阻抗的单个电压源。而天线具有三个阻抗，分别代表其自身损耗、辐射能量和存储的近场能量。
对变换器来说，源越小，辐射能量越少。
如图 2 所示，非隔离式变换器在理想条件下（图2上部），其输入与输出地之间无阻抗，所以输入与输出地之间没有电压变化，等效电压源（VCM）为零；这意味着不存在辐射 EMI 噪声。但在实际场景中（图2下部），由于 PCB 走线与地之间产生的电感，输入端（P1）和输出端（P3）之间会出现压降（分别表示为 ZGND1 和 ZGND2），并因此产生辐射 EMI。
图 2：理想电路模型与实际升降压变换器
为了分析电路中如何产生辐射 EMI，需要利用替代定理创建升降压变换器的等效模型。首先，将开关（SW）和二极管替换为等效电压源（VSW）和电流源（ID），然后利用叠加定理分别分析其影响。
F图 3 显示了 VSW 电压源如何产生辐射噪声。
图 3：电压源产生辐射 EMI
图 4 显示了电流源 (ID) 如何产生辐射噪声。
图 4：电流源产生辐射 EMI
根据该模型可以获得每个源的传递函数，因为它与变换器的等效源相关：
- 电压源和电流源可用示波器测量。
- 模型中的每个阻抗都可使用阻抗分析仪进行测量。
- 通过计算预测等效源。
如图 5 所示，采用等效源的预测值与电路的实际测量值接近，这表明模型是准确的。
图 5：预测与实际的升降压变换器等效源
另一方面，我们还需要考虑天线。由于线束的长度通常在测试时确定，因此在一定标准下进行EMI测试时，可以根据线束的长度和排列方式来测量天线增益。
通过结合变换器的等效源和等效阻抗，我们可以预测实际的辐射 EMI 噪声。图 6 展示了预测的流程和方法。在预测流程中，首先确定初始开关噪声和传输增益；然后获取 CM 端电压、天线的传输增益以及源与天线阻抗；最终就可以准确预测 EMI 噪声。
图6: 预测方法
图 7 显示了相似的预测结果与实际结果，这表明该预测流程是预测辐射噪声的有效方法。
图 7：预测辐射噪声与实际辐射噪声的比较
结语
本文探讨了采用降压变换器和升降压变换器的非隔离式变换器辐射 EMI 建模方法。本系列文章之上篇介绍了传导 EMI 以及可能产生 EMI 的无源组件。
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