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汽車電子非隔離型變換器傳導與輻射EMI的產生 傳播與抑制
2021-11-30     來源:安規與電磁兼容網    瀏覽:47    評論:0        
導讀:1 什么是 EMI?EMI 是一種電磁能量(開關電流和電壓的不良副產物),它來自多種物理現 象,可在嚴格的 EMI 測試中表現出來。2 降低 EMI 的常規方法降低 EMI 是一項需要進行各種權衡的棘手工作。降低 EMI 的 常規方法

汽車電子行業中,基于安全性的考慮,對EMI的要求極為嚴格,對于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,模型和抑制方法。

 

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圖1:汽車電子中的傳導和輻射EMI

 

電力電子系統中,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怎么來分析?我們一般把它分為兩種:

 

差模和共模

 

差模噪聲(DM)主要在兩條線間流動,而共模電流則可通過設備對地的雜散電容以位移電流的形式流到地上,再流回電網。因為這兩種噪聲的傳播途徑和抑制機理不同,我們需要分別進行建模分析。另外,在測量中,我們可以使用噪聲分離器來得到它們,據此就可知道造成EMI超標的原因到底是差模還是共模噪聲。

 

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圖2:傳導EMI中的共模和差模噪聲

 

EMI建模的第一步是把開關用電流源或電壓源進行等效,等效之后,電路各處的電流和電壓依然不變。然后可以使用疊加定理來具體分析每一個源的影響,以一個 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。

 

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圖3:Buck Converter的差模噪聲模型與典型開關波形

 

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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。對于Buck來說,輸入差模噪聲的抑制可以通過選擇輸入電容以及輸入濾波器來實現;而共模噪聲的抑制則需要減小開關節點的面積,以及使用共模濾波器。

 

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

 

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,采用降噪措施后結果如圖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。

 

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圖5:Buck的總體,差模和共模噪聲測量結果示例

 

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圖6:Buck降噪后的總體,差模和共模噪聲測量結果示例

 

輻射EMI

 

對于輻射EMI來說,傳統手段是使用電磁場理論進行推導和分析,然而,對于工程應用來講,繁復的公式推導對于理解和解決EMI問題幫助是有限的,因此,對于輻射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。

 

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圖7:輻射EMI的產生機理與模型

 

因此,變換器本身可以通過戴維南定理等效為一個電壓源和它的串聯阻抗,而天線則使用三個阻抗來分別表示其自身損耗,向外輻射的能量,以及儲存的近場能量。我們將從變換器和天線兩個方面進行分析。

 

變換器

 

對于變換器來說,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,對于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,由于地之間的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。

 

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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)對開關等效并使用疊加定理后,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。

 

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(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??;用阻抗分析儀可以測量模型中各個阻抗的大??;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。

 

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圖10:預測與實際測量的Buck-Boost變換器等效源

 

天線

 

另一方面,對于天線來說,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。

 

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圖11:預測與實際測量的Buck-Boost變換器的輻射EMI噪聲

 

因此,一個抑制輻射EMI的有效手段就是減小地的阻抗。而本次我們分享了兩種技術來達到這一目的。第一種是通過重新布線來減小輸入輸出地之間的距離,從而達到減小地平面阻抗的目的。第二種則是在輸入和輸出側跨接一個小電容,來通過旁路的方式減小輸入和輸出之間的阻抗。

 

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圖12:減小地平面阻抗的兩種方法: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結果與重新布線后的EMI結果以及跨接電容后的EMI結果對比。由此可見,這兩種方法對于輻射EMI都有非常明顯的效果。值得一提的是,以上的方法對于非隔離型的變換器是通用的。

 

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

 
 

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