【導(dǎo)讀】本文為探討EMI 問(wèn)題建模與分析策略的兩篇系列文章之下篇，上篇 探討了降低差模 (DM) 噪聲和共模 (CM) 噪聲這兩種傳導(dǎo)EMI的方法，本文則涵蓋了基于戴維南定理的輻射 EMI 建模策略以及接地阻抗降低技術(shù)。
輻射EMI
輻射EMI傳統(tǒng)上使用電磁場(chǎng)理論來(lái)推導(dǎo)并分析，但對(duì)工程應(yīng)用而言，能夠理解并解決 EMI 問(wèn)題的相關(guān)復(fù)雜公式數(shù)量有限。
減輕 EMI 問(wèn)題的另一種方法是建立清晰的電路模型。圖 1 顯示了輻射 EMI 如何通過(guò)輸入和輸出電源電纜組成的偶極天線進(jìn)行傳播。在這種情況下，變換器的CM噪聲源是 EMI 的主要成因。
圖 1：輻射 EMI 產(chǎn)生的機(jī)制與模型
根據(jù)戴維南定理，變換器可以建模為電壓源及其串聯(lián)阻抗。同時(shí)，天線可以轉(zhuǎn)換為三個(gè)阻抗 (RL、Rr 和 XA) ，分別表示其自身功率耗散、輻射能量和天線存儲(chǔ)的近場(chǎng)能量。下面，我們將分別針對(duì)變換器和天線做進(jìn)一步討論。
變換器
如圖 2所示，變換器的電源越弱，輻射的能量就越少。理想情況下，非隔離式變換器的輸入和輸出之間沒(méi)有阻抗，因?yàn)榻拥刈杩贡缓雎?。在這種情況下，等效源 (VCM) 為零，并且不會(huì)產(chǎn)生 EMI 輻射。然而實(shí)際上，大地之間的PCB 走線會(huì)產(chǎn)生電感，并在輸入 (P1) 和輸出 (P3) 之間產(chǎn)生壓降，從而產(chǎn)生輻射 EMI。
圖 2：理想情況和實(shí)際情況下的降壓-升壓變換器電路模型
根據(jù)以上原理來(lái)我們來(lái)創(chuàng)建輻射EMI模型。與傳導(dǎo) EMI模型類(lèi)似，基于替代定理用電壓源和電流源來(lái)替代有源開(kāi)關(guān)。如圖3所示，電壓源和電流源都會(huì)產(chǎn)生EMI 噪聲，其中 a 是電壓源 (VSW) ，b 是電流源 (ID)。
圖 3：降壓-升壓變換器的輻射EMI 噪聲源
從圖 3 中的模型可以得出從每個(gè)源到等效CM 源的傳遞函數(shù)。在本實(shí)驗(yàn)中，電壓源和電流源通過(guò)示波器來(lái)測(cè)量，每個(gè)阻抗的大小由阻抗分析儀來(lái)測(cè)量，而等效源則通過(guò)計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)。圖 4顯示的預(yù)測(cè)值與等效CM源的測(cè)量值相匹配，從而驗(yàn)證了模型的合理性。
圖 4：等效 CM 源預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的比較
天線
固定天線傳輸增益根據(jù)天線的位置和長(zhǎng)度來(lái)測(cè)量，這些值在 EMI 測(cè)試中也是固定的。利用上文獲得的等效 CM 源和阻抗，下一步就可以預(yù)測(cè)實(shí)際 的EMI噪聲。圖 5描述了預(yù)測(cè)降壓-升壓變換器EMI噪聲的過(guò)程。其中圖 5a 展示了輻射 EMI的預(yù)測(cè)流程，圖 5b 則顯示了預(yù)測(cè)結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的比較。比較結(jié)果證實(shí)，預(yù)測(cè)的輻射EMI 噪聲與測(cè)量值幾乎一致。
圖 5：輻射 EMI 預(yù)測(cè)流程以及預(yù)測(cè)值與實(shí)際輻射EMI 噪聲的比較
抑制輻射EMI的有效方法是降低接地阻抗。對(duì)非隔離式變換器而言，常用的抑制技術(shù)有兩種。第一種是最小化輸入與輸出之間的距離，以降低接地走線阻抗；第二種是在輸入和輸出節(jié)點(diǎn)之間添加一個(gè)小型旁路電容，以降低輸入和輸出之間的阻抗（見(jiàn)圖 6）。
圖 6：通過(guò)修改 PCB 布局來(lái)降低 EMI
圖 7 證實(shí)了這些技術(shù)的有效性。其中，圖 7a 比較了原始 EMI 性能與修改了輸入與輸出節(jié)點(diǎn)之間PCB 布局后的EMI 性能，圖7b則顯示了添加交叉電容器后的 EMI 測(cè)量結(jié)果。兩種技術(shù)都能有效降低EMI噪聲。
圖 7：通過(guò)改進(jìn)PCB 布局和添加交叉電容器來(lái)降低EMI
結(jié)論
本文回顧了控制輻射 EMI 噪聲的方法，這些方法針對(duì)變換器和天線，利用了其電路模型的物理意義。對(duì)EMI問(wèn)題來(lái)說(shuō)，建模與分析方法至關(guān)重要，它助力汽車(chē)電子工程師滿(mǎn)足EMI要求并提升汽車(chē)電子的安全標(biāo)準(zhǔn)。
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