隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備系統(tǒng)也越趨于高速化、復(fù)雜化與集成化，通常包括各種印刷電路板（PCB）、機(jī)電系統(tǒng)、開關(guān)噪聲電路、高速芯片、線纜線束、機(jī)箱機(jī)柜等多個(gè)部分，互連設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，所以對(duì)如此復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容分析和設(shè)計(jì)是一項(xiàng)難度非常高的工作。

如果僅僅靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅成本高，而且穩(wěn)定性差，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手段已經(jīng)無(wú)法滿足產(chǎn)品EMC設(shè)計(jì)和研發(fā)的需求；同時(shí)，電磁兼容測(cè)試本身就是一個(gè)耗時(shí)繁瑣的工作：需要利用電磁兼容暗室在全空域，全頻段進(jìn)行測(cè)量，不僅測(cè)量成本高昂，而且，如果EMI測(cè)量超標(biāo)，后續(xù)的查找/修正問題基本上依賴于經(jīng)驗(yàn)和猜測(cè)。

在這樣的情況下，SaberRD可以通過可靠的、完備的仿真技術(shù)手段構(gòu)建虛擬分析平臺(tái)，能夠更高效的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題。并通過仿真設(shè)計(jì)驗(yàn)證，提高整體產(chǎn)品系統(tǒng)的電磁兼容可靠性問題，幫助縮短設(shè)計(jì)周期、降低成本、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、技術(shù)人才培養(yǎng)。

01

概述

EMI標(biāo)分類

EMI可分為四類:

1)傳導(dǎo)發(fā)射：傳導(dǎo)發(fā)射是指通過物理接觸，如連接電纜、連接器等，發(fā)射出高頻的不希望的信號(hào)。

2)輻射：輻射是由沒有物理接觸的感應(yīng)過程引起的。高頻信號(hào)從導(dǎo)體表面輻射出來(lái)，并通過空氣或其他方式與附近的設(shè)備耦合。

3)傳導(dǎo)敏感度：傳導(dǎo)敏感度是指能夠抑制通過連接電纜/連接器注入的高頻干擾。

4)輻射易感性：輻射易感性是設(shè)備拒絕不希望的高頻信號(hào)試圖通過空氣或其他方式耦合的能力。

EMC標(biāo)準(zhǔn)

各種政府機(jī)構(gòu)都制定了標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)品在該國(guó)銷售設(shè)定了具體的輻射和傳導(dǎo)噪聲排放數(shù)量限制。在美國(guó)，這些監(jiān)管機(jī)構(gòu)是聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)和國(guó)防部(DOD)。在歐洲，所有的標(biāo)準(zhǔn)都由歐洲經(jīng)濟(jì)聯(lián)盟(EEC)制定。還有一個(gè)國(guó)際機(jī)構(gòu)叫國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)，它是國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)(IEC)的一個(gè)委員會(huì)，沒有監(jiān)管機(jī)構(gòu)，但制定標(biāo)準(zhǔn)，然后由個(gè)別國(guó)家采用，以促進(jìn)國(guó)際貿(mào)易。

本設(shè)計(jì)實(shí)例主要介紹反激變換器的傳導(dǎo)輻射，以及將CM噪聲控制在可接受范圍內(nèi)的濾波技術(shù)。

02

反激變換器設(shè)計(jì)

反激變換器設(shè)計(jì)

本例中的反激變換器設(shè)計(jì)是一個(gè)AC/DC變換器，它將單相交流電源轉(zhuǎn)換為直流輸出。這個(gè)設(shè)計(jì)例子的目的是了解反激變換器的行為傳導(dǎo)發(fā)射。文中詳細(xì)介紹了共模噪聲的測(cè)量方法，并分析了幾種常用的共模噪聲濾波技術(shù)。

變換器在開環(huán)模式下工作，開關(guān)在100kHz開關(guān)頻率下工作，因?yàn)楦信d趣的區(qū)域是測(cè)量噪聲，而不是變換器的閉環(huán)操作。雖然實(shí)際的源是交流的，但輸入也是直流源。這是為了降低將電路帶入穩(wěn)態(tài)進(jìn)行噪聲測(cè)量的復(fù)雜性。

本設(shè)計(jì)要素

反饋逆變器：

*是一個(gè)匝數(shù)比為10:10:1的線性變壓器(初級(jí):補(bǔ)償: 二次)。
*漏電

電感、旁路電容、交叉耦合電容和其他寄生元件均為Saber RD建模，以允許噪聲電流在變壓器的所有三個(gè)繞組之間通過。
*補(bǔ)償繞組的放置是為了幫助一種噪聲濾波技術(shù)，這將在下面的章節(jié)中解釋。

線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)

*變換器的輸入端連接到線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN)。
*LISN與電力線串聯(lián)放置，并作為進(jìn)行模態(tài)測(cè)試的測(cè)量點(diǎn)。

線路濾波器

*濾除共模噪聲的常用方法是CM扼流圈與Y帽組合。
*CM扼流圈有兩個(gè)繞組，它們相互耦合，消除CM噪聲。Y帽為抵消的CM電流形成了到地的路徑。

CM和DM噪聲測(cè)量

*來(lái)自LISN的測(cè)量輸出被輸入到CM和DM測(cè)量電路，以獲得噪聲測(cè)量的可讀輸出。

03

電磁干擾降低技術(shù)

電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)范圍

本實(shí)例將考慮FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)，以檢查設(shè)計(jì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)。圖2所示為本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)a類設(shè)備規(guī)定的傳導(dǎo)輻射限值作為頻率的函數(shù)。

實(shí)現(xiàn)降低共模噪聲的技術(shù)

CM扼流圈和Y電容器

*共模噪聲通過使用共模扼流圈和安裝在每條線路和金屬外殼/地面之間的電容器(線路旁路電容器或y型電容器)來(lái)抑制。

*在供電線路的輸入部分安裝共模扼流圈以抑制共模噪聲。由于磁通量在鐵氧體磁芯內(nèi)部抵消，差分模式電流不會(huì)產(chǎn)生阻抗。磁飽和問題小。共模扼流圈適用于大電流線路上的共模噪聲抑制，如交流/直流電源線路。由于它們不影響信號(hào)波形，因此也適用于信號(hào)波形失真引起問題的線路(如視頻信號(hào)線)上的共模噪聲抑制。

*y型電容向噪聲源返回噪聲的順序?yàn)?y形電容→金屬外殼→雜散電容→噪聲源。

*L和C值的選擇方式是在較低頻率下的共模電壓幅度小于FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的限制。隨著頻率的增加，增益衰減，在更高頻率的幅度將自動(dòng)衰減。

無(wú)源濾波消除

*反激變換器可以很容易地采用無(wú)源CM噪聲消除技術(shù)。在這種情況下，在主電源變壓器/反激變壓器上增加一個(gè)補(bǔ)償繞組(Nc)。Nc使用小規(guī)格的電線作為電流，意圖進(jìn)入這個(gè)繞組只是噪聲電流，這將是一個(gè)相當(dāng)便宜的變壓器。該繞組可與初級(jí)繞組以1:1的匝數(shù)比相互纏繞。

*另一個(gè)增加的組件是補(bǔ)償電容器Ccomp。這是用來(lái)產(chǎn)生抗噪聲電流，將消除寄生噪聲電流產(chǎn)生的Cpara(寄生電容)。Ccomp的值由Cpara的大小和匝數(shù)比Np:Nc決定。如果這個(gè)比例是1:1，那么Ccomp應(yīng)該設(shè)置為Cpara;否則它的大小應(yīng)該是?comp = Cpara dV/dt.

04

SaberRD中的電磁干擾分析

SaberRD 的傅里葉計(jì)算（FFT）

*要求將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻譜，以符合標(biāo)準(zhǔn)的頻譜限制。圖3中的顯示了FFT計(jì)算在波形計(jì)算器中的位置。

*要進(jìn)入FFT計(jì)算，選擇Analyze Tab ? Waveform Calculator ? Wave button ? FFT。這個(gè)計(jì)算的輸出是信號(hào)的頻譜。在給出所需的波形并從波形計(jì)算器中選擇FFT計(jì)算為如圖3所示，會(huì)顯示一個(gè)如圖4所示的窗口。

*該工具允許選擇要顯示/計(jì)算的點(diǎn)數(shù)。時(shí)間開始和時(shí)間停止選項(xiàng)有助于選擇波形的部分，該部分處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有運(yùn)行FFT計(jì)算所需的詳細(xì)信息。除了選擇窗口功能，該工具還可以計(jì)算THD/SNR/SINAD值。關(guān)于FFT計(jì)算的詳細(xì)信息在SaberRD文檔中提供。

*提供必要的值，并選擇對(duì)信號(hào)執(zhí)行FFT所需的選項(xiàng)。單擊此窗口上的確定，并單擊波形計(jì)算器上的波形按鈕。這顯示了FFT波形，這是幅值和相位圖。

*在共模噪聲測(cè)量的情況下，采集來(lái)自LISN的波形并測(cè)量共模電壓。通過FFT計(jì)算得到穩(wěn)態(tài)下該電壓的頻譜，并將所得波形與圖2所示的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。

*將共模電壓信號(hào)接收到波形計(jì)算器，以獲得顯示與標(biāo)準(zhǔn)限制比較的最終輸出的過程可以使用名為AIM的腳本語(yǔ)言自動(dòng)化。AIM腳本語(yǔ)言允許用戶創(chuàng)建定制的工作流/接口，以便利用SaberRD的高級(jí)特性來(lái)執(zhí)行公共功能。在本例中，可以使用一個(gè)腳本，執(zhí)行該腳本時(shí)，可以清楚地顯示與FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)限制相比的共模電壓頻譜。關(guān)于如何使用AIM腳本語(yǔ)言的細(xì)節(jié)在SaberRD文檔中給出。

SaberRD仿真分析

*對(duì)反激變換器進(jìn)行了瞬態(tài)仿真分析，得到了逆變器的時(shí)域特性。選擇結(jié)束時(shí)間以達(dá)到穩(wěn)態(tài)。如前所述，F(xiàn)FT是在共模電壓波形上執(zhí)行的。通過暫態(tài)分析得到了共模電壓波形。
*在本設(shè)計(jì)示例中測(cè)試了四個(gè)條件:

1)無(wú)濾波瞬態(tài)分析。

2)帶補(bǔ)償濾波器的瞬態(tài)分析。

3)CM扼流圈和Y電容器的瞬態(tài)分析。

4)兩種濾波器的瞬態(tài)分析。

*為了使模擬過程自動(dòng)化，創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)運(yùn)行所有四種條件。實(shí)驗(yàn)為transient_analysis_for_fft.ai_expt。一旦分析完成，plot文件就會(huì)生成并保存在工作目錄中。為了自動(dòng)分析FFT的波形并與FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，可以使用AIM腳本(fft_proc.aim)。運(yùn)行AIM腳本，創(chuàng)建了四張圖，其中有與FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)限制相比的共模噪聲圖。圖被繪制以顯示在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的每種濾波技術(shù)的共模電壓波形的振幅。

SaberRD仿真設(shè)置

1)打開設(shè)計(jì)Flyback_emi。Ai_dsn從附件的設(shè)計(jì)文件。

2)去模擬標(biāo)簽。 在Analysis中選擇“Experiment”，在實(shí)驗(yàn)列表中選擇transient_analysis_for_fft

3)點(diǎn)擊GO按鈕。

4)實(shí)驗(yàn)進(jìn)度100%時(shí)，結(jié)果窗格顯示實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中有共模噪聲電壓的測(cè)量值。

5)雙擊實(shí)驗(yàn)報(bào)告，打開如圖6所示的表格。

6)進(jìn)入“SaberRD Command Transcript”，在命令行中輸入以下命令，按“Enter”

7)AIM腳本運(yùn)行，打開圖7、圖8、圖9、圖10和圖11所示的五個(gè)圖形。

結(jié)果與分析

*對(duì)測(cè)量共模噪聲的設(shè)計(jì)進(jìn)行了瞬態(tài)仿真。
*LISN的輸出經(jīng)過CM和DM測(cè)量電路，得到電路中共模和差模噪聲電壓波形。在運(yùn)行FFT計(jì)算以獲得噪聲幅值相對(duì)于頻率的準(zhǔn)確值之前，實(shí)驗(yàn)中包括一個(gè)峰對(duì)峰值的測(cè)量，以顯示在瞬態(tài)仿真的每種情況下，普通模式噪聲電壓幅值的變化。實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄了實(shí)驗(yàn)中所做的測(cè)量。
*雙擊Experiment Report顯示的表格如圖6所示。

*可以觀察到，每一種濾波技術(shù)的插入，共模噪聲電壓幅值都在減小。現(xiàn)在，下一步是分析共模電壓噪聲水平與頻率的關(guān)系。

利用FFT計(jì)算噪聲測(cè)量的EMI分析

*運(yùn)行一個(gè)AIM腳本：包含從所有四個(gè)瞬態(tài)分析中檢索共模電壓(cm_uv)波形，對(duì)它們運(yùn)行FFT計(jì)算，并顯示每個(gè)瞬態(tài)模擬的頻譜。除此之外，每個(gè)圖表還包含F(xiàn)CC和CISPR極限波形，以顯示參考極限的噪聲水平的比較。
*在圖7中，繪制了測(cè)量的共模電壓波形。可以看出，引入濾波器后峰值值在減小。數(shù)值與圖6所示的實(shí)驗(yàn)報(bào)告一致。

*從圖8中可以看出，噪聲水平超出了FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)所定義的限制，要求提供必要的過濾。

*從圖9可以看出，噪聲水平有所降低，噪聲水平略高于FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)的限值。

*圖10所示，共模扼流圈和Y電容濾波器被設(shè)計(jì)用來(lái)在較低頻率上抑制超過限制的噪聲信號(hào)，工作良好。更高頻率的增益在40dB/dec后下降，因此更高頻率的噪聲信號(hào)被衰減到遠(yuǎn)低于限值的水平。在截止頻率之前，噪音水平略低于FCC和CISPR的限制。最好留有一定的余量，使其他寄生元件可能引起噪聲水平升高。

*最后，圖11顯示，與FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)的限制相比，共模噪聲有更大的裕度。這是最佳的選擇，過濾器是優(yōu)化設(shè)計(jì)，并使設(shè)計(jì)/設(shè)備通過一個(gè)舒適的邊際。

06

總結(jié)

SaberEMI分析的優(yōu)勢(shì)

本設(shè)計(jì)實(shí)例詳細(xì)說明了使用反激變換器拓?fù)鋵?duì)功率變換器進(jìn)行電磁干擾分析的過程。據(jù)了解，未經(jīng)過濾的設(shè)計(jì)未通過A類設(shè)備類FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)。這兩種單獨(dú)的濾波技術(shù)顯示出噪聲水平的降低，但當(dāng)兩種濾波技術(shù)都被使用時(shí)，噪聲測(cè)試通過了舒適的裕度。

Saber可用于在設(shè)計(jì)階段對(duì)傳導(dǎo)發(fā)射進(jìn)行EMI分析。FFT計(jì)算可以很容易地配置，以獲得所需的噪聲波形。自動(dòng)化分析程序有助于減少重復(fù)執(zhí)行繪圖、應(yīng)用測(cè)量和調(diào)整軸設(shè)置等任務(wù)所需的時(shí)間。設(shè)計(jì)測(cè)試，以滿足FCC和CISPR標(biāo)準(zhǔn)和必要的設(shè)計(jì)變更也進(jìn)行了測(cè)試。

遵守EMI標(biāo)準(zhǔn)是強(qiáng)制性的，Saber演示了一種簡(jiǎn)單而有效的方法，通過模擬來(lái)測(cè)試這種要求的設(shè)計(jì)。