【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chengEMI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EMI的(de)有(you)效(xiao)手(shou)段(duan)就(jiu)是(shi)減(jian)小(xiao)地(di)的(de)阻(zu)抗(kang)。而(er)本(ben)次(ci)我(wo)們(men)分(fen)享(xiang)了(le)兩(liang)種(zhong)技(ji)術(shu)來(lai)達(da)到(dao)這(zhe)一(yi)目(mu)的(de)。第(di)一(yi)種(zhong)是(shi)通(tong)過(guo)重(zhong)新(xin)布(bu)線(xian)來(lai)減(jian)小(xiao)輸(shu)入(ru)輸(shu)出(chu)地(di)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)減(jian)小(xiao)地(di)平(ping)麵(mian)阻(zu)抗(kang)的(de)目(mu)的(de)。第(di)二(er)種(zhong)則(ze)是(shi)在(zai)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)側(ce)跨(kua)接(jie)一(yi)個(ge)小(xiao)電(dian)容(rong)
，來(lai)通(tong)過(guo)旁(pang)路(lu)的(de)方(fang)式(shi)減(jian)小(xiao)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)之(zhi)間(jian)的(de)阻(zu)抗(kang)。

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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