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。

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。

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。

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。

图 3 显示了 VSW 电压源如何产生辐射噪声。

图 4 显示了电流源 (ID) 如何产生辐射噪声。

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。

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 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。

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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