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）、機電系統(tǒng)、開關(guān)噪聲電路、高速芯片、線纜線束、機箱機柜等多個部分，互連設(shè)計非常復(fù)雜，所以對如此復(fù)雜的系統(tǒng)進行電磁兼容分析和設(shè)計是一項難度非常高的工作。

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

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，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)計驗證，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)計周期、降低成本、提高產(chǎn)品競爭力、技術(shù)人才培養(yǎng)。

01

概述

EMI標分類

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。

2)輻射：輻射是由沒有物理接觸的感應(yīng)過程引起的。高頻信號從導(dǎo)體表面輻射出來，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試圖通過空氣或其他方式耦合的能力。

EMC標準

各種政府機構(gòu)都制定了標準，為產(chǎn)品在該國銷售設(shè)定了具體的輻射和傳導(dǎo)噪聲排放數(shù)量限制。在美國，這些監(jiān)管機構(gòu)是聯(lián)邦通信委員會(FCC)和國防部(DOD)。在歐洲，所有的標準都由歐洲經(jīng)濟聯(lián)盟(EEC)制定。還有一個國際機構(gòu)叫國際無線電干擾特別委員會(CISPR)，它是國際電子技術(shù)委員會(IEC)的一個委員會，沒有監(jiān)管機構(gòu)，但制定標準，然后由個別國家采用，以促進國際貿(mào)易。

本設(shè)計實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

反激變換器設(shè)計

本例中的反激變換器設(shè)計是一個AC/DC變換器，它將單相交流電源轉(zhuǎn)換為直流輸出。這個設(shè)計例子的目的是了解反激變換器的行為傳導(dǎo)發(fā)射。文中詳細介紹了共模噪聲的測量方法，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，因為感興趣的區(qū)域是測量噪聲，而不是變換器的閉環(huán)操作。雖然實際的源是交流的，但輸入也是直流源。這是為了降低將電路帶入穩(wěn)態(tài)進行噪聲測量的復(fù)雜性。

本設(shè)計要素

反饋逆變器：

*是一個匝數(shù)比為10:10:1的線性變壓器(初級:補償: 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繞組之間通過。
*補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，并作為進行模態(tài)測試的測量點。

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噪聲測量

*來自LISN的測量輸出被輸入到CM和DM測量電路，以獲得噪聲測量的可讀輸出。

03

電磁干擾降低技術(shù)

電磁干擾標準范圍

本實例將考慮FCC和CISPR標準，以檢查設(shè)計是否符合標準。圖2所示為本標準對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波形，因此也適用于信號波形失真引起問題的線路(如視頻信號線)上的共模噪聲抑制。

*y型電容向噪聲源返回噪聲的順序為: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標準設(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衰減。

無源濾波消除

*反激變換器可以很容易地采用無源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補償繞組(Nc)。Nc使用小規(guī)格的電線作為電流，意圖進入這個繞組只是噪聲電流，這將是一個相當便宜的變壓器。該繞組可與初級繞組以1:1的匝數(shù)比相互纏繞。

*另一個增加的組件是補償電容器Ccomp。這是用來產(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 的傅里葉計算（FFT）

*要求將電信號轉(zhuǎn)換為頻譜，以符合標準的頻譜限制。圖3中的顯示了FFT計算在波形計算器中的位置。

*要進入FFT計算，選擇Analyze Tab ? Waveform Calculator ? Wave button ? FFT。這個計算的輸出是信號的頻譜。在給出所需的波形并從波形計算器中選擇FFT計算為如圖3所示，會顯示一個如圖4所示的窗口。

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

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

*在共模噪聲測量的情況下，采集來自LISN的波形并測量共模電壓。通過FFT計算得到穩(wěn)態(tài)下該電壓的頻譜，并將所得波形與圖2所示的標準進行比較。

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

SaberRD仿真分析

*對反激變換器進行了瞬態(tài)仿真分析，得到了逆變器的時域特性。選擇結(jié)束時間以達到穩(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)計示例中測試了四個條件:

1)無濾波瞬態(tài)分析。

2)帶補償濾波器的瞬態(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化，創(chuàng)建了一個實驗來運行所有四種條件。實驗為transient_analysis_for_fft.ai_expt。一旦分析完成，plot文件就會生成并保存在工作目錄中。為了自動分析FFT的波形并與FCC和CISPR標準進行比較，可以使用AIM腳本(fft_proc.aim)。運行AIM腳本，創(chuàng)建了四張圖，其中有與FCC和CISPR標準限制相比的共模噪聲圖。圖被繪制以顯示在設(shè)計中實現(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Flyback_emi。Ai_dsn從附件的設(shè)計文件。

2)去模擬標簽。 在Analysis中選擇“Experiment”，在實驗列表中選擇transient_analysis_for_fft

3)點擊GO按鈕。

4)實驗進度100%時，結(jié)果窗格顯示實驗報告，實驗報告中有共模噪聲電壓的測量值。

5)雙擊實驗報告，打開如圖6所示的表格。

6)進入“SaberRD Command Transcript”，在命令行中輸入以下命令，按“Enter”

7)AIM腳本運行，打開圖7、圖8、圖9、圖10和圖11所示的五個圖形。

結(jié)果與分析

*對測量共模噪聲的設(shè)計進行了瞬態(tài)仿真。
*LISN的輸出經(jīng)過CM和DM測量電路，得到電路中共模和差模噪聲電壓波形。在運行FFT計算以獲得噪聲幅值相對于頻率的準確值之前，實驗中包括一個峰對峰值的測量，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。實驗報告記錄了實驗中所做的測量。
*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計算噪聲測量的EMI分析

*運行一個AIM腳本：包含從所有四個瞬態(tài)分析中檢索共模電壓(cm_uv)波形，對它們運行FFT計算，并顯示每個瞬態(tài)模擬的頻譜。除此之外，每個圖表還包含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所示的實驗報告一致。

*從圖8中可以看出，噪聲水平超出了FCC和CISPR標準所定義的限制，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標準的限值。

*圖10所示，共模扼流圈和Y電容濾波器被設(shè)計用來在較低頻率上抑制超過限制的噪聲信號，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被衰減到遠低于限值的水平。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標準的限制相比，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，并使設(shè)計/設(shè)備通過一個舒適的邊際。

06

總結(jié)

SaberEMI分析的優(yōu)勢

本設(shè)計實例詳細說明了使用反激變換器拓撲對功率變換器進行電磁干擾分析的過程。據(jù)了解，未經(jīng)過濾的設(shè)計未通過A類設(shè)備類FCC和CISPR標準。這兩種單獨的濾波技術(shù)顯示出噪聲水平的降低，但當兩種濾波技術(shù)都被使用時，噪聲測試通過了舒適的裕度。

Saber可用于在設(shè)計階段對傳導(dǎo)發(fā)射進行EMI分析。FFT計算可以很容易地配置，以獲得所需的噪聲波形。自動化分析程序有助于減少重復(fù)執(zhí)行繪圖、應(yīng)用測量和調(diào)整軸設(shè)置等任務(wù)所需的時間。設(shè)計測試，以滿足FCC和CISPR標準和必要的設(shè)計變更也進行了測試。

遵守EMI標準是強制性的，Saber演示了一種簡單而有效的方法，通過模擬來測試這種要求的設(shè)計。