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汽车电子非隔离型变换器传导与辐射EMI的产生,传播与抑制

发布时间:2021-10-15 来源:MPS芯源系统 责任编辑:wenwei

【导读】汽车电子行业中,基于安全性的考虑,对EMI的要求极为严格,对于汽车电子工程师也提出了挑战。对各种EMI问题的建模分析,会极为有效的帮助我们减小EMI。本文就将和大家探讨下非隔离型变换器(如Buck,Boost和Buck-Boost)产生EMI的机理,模型和抑制方法。


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图1:汽车电子中的传导和辐射EMI


电力电子系统中,我们会用到许多MOSFET,二极管等器件,它们在高频开关过程中会产生高dv/dt节点与高di/dt环路,这些是EMI产生的根本原因。


EMI分传导和辐射两部分,传导EMI噪声可通过缆线或其他导体传到受害设备,辐射EMI噪声则是直接通过空间耦合到受害设备上。这两种噪声因为传播途径的不同,建模和分析方法则需要分别来进行探讨。


传导EMI


那传导EMI怎么来分析?我们一般把它分为两种:


差模和共模


差模噪声(DM)主要在两条线间流动,而共模电流则可通过设备对地的杂散电容以位移电流的形式流到地上,再流回电网。因为这两种噪声的传播途径和抑制机理不同,我们需要分别进行建模分析。另外,在测量中,我们可以使用噪声分离器来得到它们,据此就可知道造成EMI超标的原因到底是差模还是共模噪声。


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图2:传导EMI中的共模和差模噪声


EMI建模的第一步是把开关用电流源或电压源进行等效,等效之后,电路各处的电流和电压依然不变。然后可以使用叠加定理来具体分析每一个源的影响,以一个 Buck 变换器为例,它的差模和共模模型分别可以简化到以下模型(图3,图4)。具体过程可以参考本文末“阅读原文”视频中的讲解。


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图3:Buck Converter的差模噪声模型与典型开关波形


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图4:Buck Converter的共模噪声模型与典型开关波形


同理,其他的非隔离变换器的模型也可得到。对于Buck来说,输入差模噪声的抑制可以通过选择输入电容以及输入滤波器来实现;而共模噪声的抑制则需要减小开关节点的面积,以及使用共模滤波器。


我们以一个典型Buck Converter为例来解释EMI抑制的流程与方法。


首先,通过EMI的测量与噪声分离,发现差模噪声是引起EMI超标的主要原因(如图5所示)。因此,降噪方法则是增加差模滤波器,采用降噪措施后结果如图6。此方法可以推广到各种变换器上,具体可以看本文末“阅读原文”中的视频介绍。


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图5:Buck的总体,差模和共模噪声测量结果示例


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图6:Buck降噪后的总体,差模和共模噪声测量结果示例


辐射EMI


对于辐射EMI来说,传统手段是使用电磁场理论进行推导和分析,然而,对于工程应用来讲,繁复的公式推导对于理解和解决EMI问题帮助是有限的,因此,对于辐射EMI来说,我们的方法是建立有明确物理意义的电路模型来帮助解决EMI问题。如下图7所示,辐射EMI可以认为主要通过输入线和输出线组成的偶级子天线向空间辐射,而其驱动源则为变换器本身的共模噪声源。


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图7:辐射EMI的产生机理与模型


因此,变换器本身可以通过戴维南定理等效为一个电压源和它的串联阻抗,而天线则使用三个阻抗来分别表示其自身损耗,向外辐射的能量,以及储存的近场能量。我们将从变换器和天线两个方面进行分析。


变换器


对于变换器来说,显然,变换器的源越小,辐射的能量也就越小,如下图8所示,理想状况下,对于非隔离性变换器来说,输入与输出地之间没有阻抗,而等效的源(VCM)为零,也就不会产生EMI辐射。但实际上,由于地之间的PCB走线会产生电感,输入端(P1)与输出端(P3)之间也会产生压降,这样就导致了辐射EMI的产生。


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图8:理想与实际Buck-Boost变换器电路模型


据此,我们可以进行EMI建模,同理,使用电压源(VSW)和电流源(ID)对开关等效并使用叠加定理后,如图9所示,我们发现电压源和电流源都会产生辐射的噪声。


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(a)电压源(b)电流源

图9:Buck-Boost变换器辐射EMI的噪声源:


根据模型,我们可以得到各个源对变换器等效源的传递函数。在实验中,用示波器可以测量电压源,电流源的大小;用阻抗分析仪可以测量模型中各个阻抗的大小;再进行计算即可预测等效源的大小。如下图10所示,预测值与实际测量的等效源的值相符。模型的合理性即得到证明。


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图10:预测与实际测量的Buck-Boost变换器等效源


天线


另一方面,对于天线来说,我们可以根据一种固定的EMI测试中的天线长度和摆放,来测量得到它的天线增益。结合我们之前得到的变换器等效源与等效阻抗,我们即可预测实际测量中的EMI噪声。下图则是结果是预测的流程和方法,以及预测结果和实际结果的比较,可以看出,两者有很好的吻合度。


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图11:预测与实际测量的Buck-Boost变换器的辐射EMI噪声


因此,一个抑制辐射EMI的有效手段就是减小地的阻抗。而本次我们分享了两种技术来达到这一目的。第一种是通过重新布线来减小输入输出地之间的距离,从而达到减小地平面阻抗的目的。第二种则是在输入和输出侧跨接一个小电容,来通过旁路的方式减小输入和输出之间的阻抗。


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图12:减小地平面阻抗的两种方法:重新布线与跨接电容。


而测量结果也证实了方法的有效性,下图中分别显示了原始的EMI结果与重新布线后的EMI结果以及跨接电容后的EMI结果对比。由此可见,这两种方法对于辐射EMI都有非常明显的效果。值得一提的是,以上的方法对于非隔离型的变换器是通用的。


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图13:辐射EMI测量结果对比:(a)原始EMI与重布线后EMI;(b)原始EMI与电容跨接EMI



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