【導讀】汽車電子行業中，基於安全性的考慮
，對EMI的要求極為嚴格，對於汽車電子工程師也提出了挑戰。對各種EMI問題的建模分析，會極為有效的幫助我們減小EMI。本文就將和大家探討下非隔離型變換器（如Buck
，Boost和Buck-Boost）產生EMI的機理
，模型和抑製方法。

圖1：汽車電子中的傳導和輻射EMI

電力電子係統中，我們會用到許多MOSFET，二極管等器件，它們在高頻開關過程中會產生高dv/dt節點與高di/dt環路，這些是EMI產生的根本原因。

EMI分傳導和輻射兩部分，傳導EMI噪聲可通過纜線或其他導體傳到受害設備，輻射EMI噪聲則是直接通過空間耦合到受害設備上。這兩種噪聲因為傳播途徑的不同，建模和分析方法則需要分別來進行探討。

傳導EMI

那傳導EMI怎麼來分析
？我們一般把它分為兩種：

差模和共模

差模噪聲（DM）主(zhu)要(yao)在(zai)兩(liang)條(tiao)線(xian)間(jian)流(liu)動(dong)，而(er)共(gong)模(mo)電(dian)流(liu)則(ze)可(ke)通(tong)過(guo)設(she)備(bei)對(dui)地(di)的(de)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)以(yi)位(wei)移(yi)電(dian)流(liu)的(de)形(xing)式(shi)流(liu)到(dao)地(di)上(shang)，再(zai)流(liu)回(hui)電(dian)網(wang)。因(yin)為(wei)這(zhe)兩(liang)種(zhong)噪(zao)聲(sheng)的(de)傳(chuan)播(bo)途(tu)徑(jing)和(he)抑(yi)製(zhi)機(ji)理(li)不(bu)同(tong)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)分(fen)別(bie)進(jin)行(xing)建(jian)模(mo)分(fen)析(xi)。另(ling)外(wai)
，在(zai)測(ce)量(liang)中(zhong)
，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)噪(zao)聲(sheng)分(fen)離(li)器(qi)來(lai)得(de)到(dao)它(ta)們(men)
，據(ju)此(ci)就(jiu)可(ke)知(zhi)道(dao)造(zao)成(cheng)EMI超標的原因到底是差模還是共模噪聲。

圖2：傳導EMI中的共模和差模噪聲

EMIjianmodediyibushibakaiguanyongdianliuyuanhuodianyayuanjinxingdengxiao
，dengxiaozhihou，dianlugechudedianliuhedianyayiranbubian。ranhoukeyishiyongdiejiadinglilaijutifenximeiyigeyuandeyingxiang，yiyige Buck 變換器為例，它的差模和共模模型分別可以簡化到以下模型（圖3，圖4）。具體過程可以參考本文末“閱讀原文”視頻中的講解。

圖3：Buck Converter的差模噪聲模型與典型開關波形

圖4：Buck Converter的共模噪聲模型與典型開關波形

同理
，其他的非隔離變換器的模型也可得到。對於Buck來說，輸入差模噪聲的抑製可以通過選擇輸入電容以及輸入濾波器來實現
；而共模噪聲的抑製則需要減小開關節點的麵積，以及使用共模濾波器。

我們以一個典型Buck Converter為例來解釋EMI抑製的流程與方法。

首先

，通過EMI的測量與噪聲分離
，發現差模噪聲是引起EMI超標的主要原因（如圖5所示）。因此，降噪方法則是增加差模濾波器，采用降噪措施後結果如圖6。此方法可以推廣到各種變換器上，具體可以看本文末“閱讀原文”中的視頻介紹。

圖5：Buck的總體，差模和共模噪聲測量結果示例

圖6：Buck降噪後的總體
，差模和共模噪聲測量結果示例

輻射EMI

對於輻射EMI來說
，傳統手段是使用電磁場理論進行推導和分析，然而，對於工程應用來講
，繁複的公式推導對於理解和解決EMI問題幫助是有限的，因此，對於輻射EMI來說，我們的方法是建立有明確物理意義的電路模型來幫助解決EMI問題。如下圖7所示，輻射EMI可以認為主要通過輸入線和輸出線組成的偶級子天線向空間輻射，而其驅動源則為變換器本身的共模噪聲源。

圖7：輻射EMI的產生機理與模型

因yin此ci，變bian換huan器qi本ben身shen可ke以yi通tong過guo戴dai維wei南nan定ding理li等deng效xiao為wei一yi個ge電dian壓ya源yuan和he它ta的de串chuan聯lian阻zu抗kang，而er天tian線xian則ze使shi用yong三san個ge阻zu抗kang來lai分fen別bie表biao示shi其qi自zi身shen損sun耗hao，向xiang外wai輻fu射she的de能neng量liang

，以yi及ji儲chu存cun的de近jin場chang能neng量liang。我wo們men將jiang從cong變bian換huan器qi和he天tian線xian兩liang個ge方fang麵mian進jin行xing分fen析xi。

變換器

對於變換器來說，顯然，變換器的源越小，輻射的能量也就越小，如下圖8所示，理想狀況下，對於非隔離性變換器來說
，輸入與輸出地之間沒有阻抗，而等效的源（VCM）為零，也就不會產生EMI輻射。但實際上，由於地之間的PCB走線會產生電感
，輸入端（P1）與輸出端（P3）之間也會產生壓降，這樣就導致了輻射EMI的產生。

圖8：理想與實際Buck-Boost變換器電路模型

據此，我們可以進行EMI建模
，同理，使用電壓源（VSW）和電流源（ID）對開關等效並使用疊加定理後，如圖9所示，我們發現電壓源和電流源都會產生輻射的噪聲。

（a）電壓源（b）電流源

圖9：Buck-Boost變換器輻射EMI的噪聲源：

根據模型，我們可以得到各個源對變換器等效源的傳遞函數。在實驗中
，用示波器可以測量電壓源，電流源的大小
；用阻抗分析儀可以測量模型中各個阻抗的大小；再進行計算即可預測等效源的大小。如下圖10所示，預測值與實際測量的等效源的值相符。模型的合理性即得到證明。

圖10：預測與實際測量的Buck-Boost變換器等效源

天線

另一方麵，對於天線來說

，我們可以根據一種固定的EMI測試中的天線長度和擺放，來測量得到它的天線增益。結合我們之前得到的變換器等效源與等效阻抗，我們即可預測實際測量中的EMI噪聲。下圖則是結果是預測的流程和方法，以及預測結果和實際結果的比較，可以看出
，兩者有很好的吻合度。

圖11：預測與實際測量的Buck-Boost變換器的輻射EMI噪聲

因此
，一個抑製輻射EMIdeyouxiaoshouduanjiushijianxiaodidezukang。erbenciwomenfenxiangleliangzhongjishulaidadaozheyimude。diyizhongshitongguozhongxinbuxianlaijianxiaoshurushuchudizhijiandejuli，congerdadaojianxiaodipingmianzukangdemude。dierzhongzeshizaishuruheshuchucekuajieyigexiaodianrong，laitongguopangludefangshijianxiaoshuruheshuchuzhijiandezukang。

圖12：減小地平麵阻抗的兩種方法：重新布線與跨接電容。

而測量結果也證實了方法的有效性，下圖中分別顯示了原始的EMI結果與重新布線後的EMI結果以及跨接電容後的EMI結果對比。由此可見，這兩種方法對於輻射EMI都有非常明顯的效果。值得一提的是
，以上的方法對於非隔離型的變換器是通用的。

圖13：輻射EMI測量結果對比：（a）原始EMI與重布線後EMI；（b）原始EMI與電容跨接EMI

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