汽车电子中的电磁干扰生成、传播与抑制（下）
品慧电子讯本文为探讨EMI 问题建模与分析策略的两篇系列文章之下篇，上篇 探讨了降低差模 (DM) 噪声和共模 (CM) 噪声这两种传导EMI的方法，本文则涵盖了基于戴维南定理的辐射 EMI 建模策略以及接地阻抗降低技术。
辐射EMI
辐射EMI传统上使用电磁场理论来推导并分析，但对工程应用而言，能够理解并解决 EMI 问题的相关复杂公式数量有限。
减轻 EMI 问题的另一种方法是建立清晰的电路模型。图 1 显示了辐射 EMI 如何通过输入和输出电源电缆组成的偶极天线进行传播。在这种情况下，变换器的CM噪声源是 EMI 的主要成因。
图 1：辐射 EMI 产生的机制与模型
根据戴维南定理，变换器可以建模为电压源及其串联阻抗。同时，天线可以转换为三个阻抗 (RL、Rr 和 XA) ，分别表示其自身功率耗散、辐射能量和天线存储的近场能量。下面，我们将分别针对变换器和天线做进一步讨论。
变换器
如图 2所示，变换器的电源越弱，辐射的能量就越少。理想情况下，非隔离式变换器的输入和输出之间没有阻抗，因为接地阻抗被忽略。在这种情况下，等效源 (VCM) 为零，并且不会产生 EMI 辐射。然而实际上，大地之间的PCB 走线会产生电感，并在输入 (P1) 和输出 (P3) 之间产生压降，从而产生辐射 EMI。
图 2：理想情况和实际情况下的降压-升压变换器电路模型
根据以上原理来我们来创建辐射EMI模型。与传导 EMI模型类似，基于替代定理用电压源和电流源来替代有源开关。如图3所示，电压源和电流源都会产生EMI 噪声，其中 a 是电压源 (VSW) ，b 是电流源 (ID)。
图 3：降压-升压变换器的辐射EMI 噪声源
从图 3 中的模型可以得出从每个源到等效CM 源的传递函数。在本实验中，电压源和电流源通过示波器来测量，每个阻抗的大小由阻抗分析仪来测量，而等效源则通过计算来预测。图 4显示的预测值与等效CM源的测量值相匹配，从而验证了模型的合理性。
图 4：等效 CM 源预测值与测量值的比较
天线
固定天线传输增益根据天线的位置和长度来测量，这些值在 EMI 测试中也是固定的。利用上文获得的等效 CM 源和阻抗，下一步就可以预测实际 的EMI噪声。图 5描述了预测降压-升压变换器EMI噪声的过程。其中图 5a 展示了辐射 EMI的预测流程，图 5b 则显示了预测结果与测量结果的比较。比较结果证实，预测的辐射EMI 噪声与测量值几乎一致。
图 5：辐射 EMI 预测流程以及预测值与实际辐射EMI 噪声的比较
抑制辐射EMI的有效方法是降低接地阻抗。对非隔离式变换器而言，常用的抑制技术有两种。第一种是最小化输入与输出之间的距离，以降低接地走线阻抗；第二种是在输入和输出节点之间添加一个小型旁路电容，以降低输入和输出之间的阻抗（见图 6）。
图 6：通过修改 PCB 布局来降低 EMI
图 7 证实了这些技术的有效性。其中，图 7a 比较了原始 EMI 性能与修改了输入与输出节点之间PCB 布局后的EMI 性能，图7b则显示了添加交叉电容器后的 EMI 测量结果。两种技术都能有效降低EMI噪声。
图 7：通过改进PCB 布局和添加交叉电容器来降低EMI
结论
本文回顾了控制辐射 EMI 噪声的方法，这些方法针对变换器和天线，利用了其电路模型的物理意义。对EMI问题来说，建模与分析方法至关重要，它助力汽车电子工程师满足EMI要求并提升汽车电子的安全标准。
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