簡介

在設計電子系統時，確保器件滿足電磁兼容性 (EMC) 標準至關重要，這不僅是因為立法機構有此要求，還因為電磁干擾 (EMI) 可能導致的不穩定和意外行為。由于 EMI 測試通常在最終設計階段進行，因此，如果能對 EMI 進行建模與分析，將有效幫助設計人員在包括初始設計階段在內的整個設計過程中都優化 EMI，從而幫助他們避免延期并產生意外成本。

EMI 通過兩種路徑在電子電路中傳播：傳導 EMI 和輻射 EMI。傳導 EMI 通過電纜或其他有物理接觸的導體傳輸到受影響的設備；而輻射 EMI 噪聲則通過開放空間（無物理接觸）傳輸。

根據傳播路徑的不同，本系列文章將在上篇討論傳導 EMI，在下篇中討論輻射 EMI。

傳導EMI

傳導 EMI 有兩種標準類型：差模 (DM) 和共模 (CM)。DM 噪聲在兩條線路間流動。CM噪聲則在電流以位移電流的形式流到大地時產生；該電流通過設備的雜散電容流到大地，然后再流回電網。

測量 EMI 噪聲時，可以使用噪聲分離器來確定 EMI 噪聲是 DM 噪聲還是 CM 噪聲（見圖 1）。

在對傳導 EMI 進行分析與建模時，分別分析 DM 噪聲和 CM 噪聲至關重要。

圖 2 分別顯示了DM噪聲路徑和 CM 噪聲路徑，其中 LF是輸入濾波器的電感，CF是輸入濾波器的電容。CP是開關節點的雜散電容，CPO則是評估板地到測試參考地之間的雜散電容。

差模（DM）噪聲

利用替代定理可計算 DM 噪聲。替代定理指出，任何支路上的電壓或電流都可以用某些元件來替換，以得到相同的電壓和電流。圖 3 顯示了用電流或電壓源（圖 3 中的IS1 和 VS2 ）替換電路內所有開關（圖 2 中的 S1 和 S2）后得到的降壓變換器電路。在這種情況下，等效支路后，電路的電流和電壓均保持不變。

利用疊加定理可以分析各電源對EMI的影響（見圖4）。這里形成 兩個電路：一個帶電流源(IS1)，另一個帶電壓源 (VS2)。因為只有通過 LISN 的電流才會產生 EMI，因此可以忽略任何不產生 EMI 噪聲的源，這也意味著我們只需要分析有電流源的電路。

圖 5 顯示了 DM 噪聲模型。 該模型表明 DM 噪聲源為高壓側開關電流(IS1)。通過分析圖 5 中的電路可知，通過選擇適當的輸入電容（CF）和輸入濾波電感（LF）可以降低 DM 噪聲電流。

共模(CM)噪聲

圖 6 顯示了如何利用替代定理和疊加定理對 CM 噪聲進行類似的分析。在這種情況下，CM 噪聲源為充當電壓源(VS2)的低壓側開關（見圖 6）。由于 CM 噪聲通過 PCB 接地層耦合，因此還需添加 CP和CPO。CP是開關節點平面到地平面之間的寄生電容，它耦合了開關噪聲；而 CPO是輸出電壓平面到地平面之間的寄生電容，它耦合了輸出電壓紋波。

圖 7 顯示了降壓電路中的 CM 噪聲模型。對于 CM 噪聲，由于輸入和輸出電容（分別為 CIN和COUT）的阻抗遠小于 CP和CPO，因此在分析時可以將它們視為短路。通過選擇較低的 CP值可以降低CM噪聲，因此，縮小開關節點尺寸以使CP電容盡可能小非常重要。

這種分析方法也適用于其他非隔離式變換器，例如升壓和升降壓變換器。

無源組件

盡管上述內容已經創建出了一個基本的 EMI 模型，但設計人員還需考慮每個組件寄生參數的影響，才能準確預測高頻（例如超過 30MHz）EMI。

圖 8 所示為開關電源 PCB 上常見的產生 EMI 的無源組件。

圖 9 顯示了電容的高阻抗模型。流經電容的電流在其周圍產生磁場，連接器中的導電材料就像一個小型寄生電阻。

圖10顯示了電感的高頻阻抗模型。其電感繞組之間產生的電場形成等效電容，而導體中發熱引起的功率損耗可以被視為串聯和并聯的寄生電阻。

通常，供應商應提供可用于確定 EMI 噪聲的所有寄生參數，但如果未提供，也可以利用阻抗分析儀或網絡分析儀進行測量。

觀察無源元件的阻抗曲線時會發現，阻抗的演變呈三角形（見圖 11）。在極高的頻率下，電容中的寄生電感會導致阻抗上升，因此電容表現出感性行為。電感則相反，寄生電容和電阻成為阻抗的主要組成部分。在開關變換器中，電路中存在因電流和電壓急劇變化而產生的高頻分量。在某些高頻下，設計人員應考慮到他們使用的組件產生的響應可能與預期不同。

此外，在分析高頻EMI時，還應考慮PCB走線上產生的電感，而且在EMI建模時就必須考慮到這一點。阻抗分析儀或網絡分析儀可以測量 EMI 組件并提取 PCB 上的雜散參數。當然，一般的設計規則均建議走線盡可能地短，特別是那些有噪聲或易受噪聲影響的走線。

在對EMI 組件和PCB 雜散參數進行分析之后，就可以對圖 2 中的模型進行仿真（見圖 12）。開關上的電壓和電流可以通過實際測量得到，也可以通過開關或IC的模型來仿真。

圖 13 顯示，如果能夠準確提取 EMI 組件和 PCB 阻抗，EMI 仿真就可以準確預測變換器的傳導 EMI 結果。

總結

本文以降壓變換器和升降壓變換器為例，介紹了如何分析 EMI 噪聲并創建傳導 EMI（DM 噪聲和 CM 噪聲）的建模方法，以及無源元件如何影響EMI。 本系列的下篇將討論輻射 EMI。MPS 提供了豐富的非隔離式開關變換器和控制器，以及隔離式變換器產品，可滿足您的各種應用需求。

除了EMC 測試實驗室之外，MPS 還提供汽車級升降壓變換器和降壓變換器，能夠滿足嚴格的 EMI 要求。