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    非隔離式變換器電磁干擾(EMI)的分析與建模方法(下)

    發布時間:2023-09-20 來源:MPS 責任編輯:wenwei

    【導讀】如果在設計初期沒有考慮電磁干擾(EMI)問題,那元件在最終設計階段將很難滿足 EMI 要求。對 EMI 進行建模與分析將幫助設計人員在設計之初即優化 EMI 并預測 EMI 性能。


    EMI 包括兩種類型:傳導 EMI 和輻射 EMI。傳導 EMI 通過物理接觸傳播(通過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,通過開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理論進行推導與分析。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,而且也無從了解如何改善 EMI 問題。相比之下,創建一個電路模型,從物理上表達輻射 EMI 將更為有用。


    圖 1 顯示了通過偶極子天線輻射的大部分輻射 EMI。該子天線由輸入線和輸出線組成,其驅動源是變換器的共模噪聲源。 


    36.png

    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阻抗的單個電壓源。而天線具有三個阻抗,分別代表其自身損耗、輻射能量和存儲的近場能量。 

    對變換器來說,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阻抗,所以輸入與輸出地之間沒有電壓變化,等效電壓源(VCM)為零;這意味著不存在輻射 EMI 噪聲。但在實際場景中(圖2下部),由于 PCB 走線與地之間產生的電感,輸入端(P1)和輸出端(P3)之間會出現壓降(分別表示為 ZGND1 和 ZGND2),并因此產生輻射 EMI。 


    37.png

    圖 2:理想電路模型與實際升降壓變換器


    為了分析電路中如何產生輻射 EMI,需要利用替代定理創建升降壓變換器的等效模型。首先,將開關(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 電壓源如何產生輻射噪聲。 


    38.png

    圖 3:電壓源產生輻射 EMI


    圖 4 顯示了電流源 (ID) 如何產生輻射噪聲。 


    39.png

    圖 4:電流源產生輻射 EMI


    根據該模型可以獲得每個源的傳遞函數,因為它與變換器的等效源相關: 


    ●   電壓源和電流源可用示波器測量。

    ●   模型中的每個阻抗都可使用阻抗分析儀進行測量。

    ●   通過計算預測等效源。

     

    如圖 5 所示,采用等效源的預測值與電路的實際測量值接近,這表明模型是準確的。 


    1692620197705933.png

    圖 5:預測與實際的升降壓變換器等效源


    另一方面,我們還需要考慮天線。由于線束的長度通常在測試時確定,因此在一定標準下進行EMI測試時,可以根據線束的長度和排列方式來測量天線增益。


    通過結合變換器的等效源和等效阻抗,我們可以預測實際的輻射 EMI 噪聲。圖 6 展示了預測的流程和方法。在預測流程中,首先確定初始開關噪聲和傳輸增益;然后獲取 CM 端電壓、天線的傳輸增益以及源與天線阻抗;最終就可以準確預測 EMI 噪聲。 


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    圖6: 預測方法


    圖 7 顯示了相似的預測結果與實際結果,這表明該預測流程是預測輻射噪聲的有效方法。 


    42.png

    圖 7:預測輻射噪聲與實際輻射噪聲的比較


    結語


    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 以及可能產生 EMI 的無源組件。


    MPS 擁有豐富的非隔離式開關變換器和控制器,以及隔離變換器產品,可滿足您的各種應用需求。MPS 還提供汽車級升降壓變換器和降壓變換器,可以滿足汽車應用嚴格的 EMI 要求。與此同時,MPS 還提供專業的 EMC 測試實驗室。



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