如何控制使用长输出线时的传导EMI（上）
如何控制使用长输出线时的传导 EMI（上）
在许多汽车电子应用中，负载都需要通过一条较长的输出线连接到主板，这会导致过高的传导 EMI 。这些汽车应用包括 D 类功率放大器、LED 和 USB 充电器等。
我们将分上、中、下三个部分来分析并探讨如何改善长线负载导致的过高传导 EMI。上篇将介绍长线负载的传导 EMI 测试结果，以及使用共模 (CM) EMI 模型的分析框架；中篇 将分析传输线对输出长线对地阻抗的影响；下篇将总结三种 EMI 降噪方法，同时分析和预测谐振峰值。
长线负载EMI 测试设备
在进行传导 EMI 测试时，需确保输出线的长度与实际应用一致。图 2 显示了一个长线负载的测试装置。 该负载符合 CISPR 25 标准，用于保护车载接收器。被测设备（EUT）放置在距离参考地（铜板）5cm处，之间为低介电常数介质（相对介电常数小于1.4）；输出线为1~2米，取决于实际应用情况；LISN接在电源和EUT之间，为噪声回路提供恒定的阻抗（对共模来说，这个阻抗为25Ω）。
图 2：汽车电子长线负载测试装置
图3对比了MPS的同一个车载Class-D功放（2.2MHz，BTL，24.5W，vwin 输入Class-D功放）在加输出线和不加输出线的传导EMI测试结果。从图中可以看出，在没有输出线的情况下，它的EMI可以满足CISPR25的要求，但是，在有2m输出线的情况下，EMI明显变差，尤其是在30MHz和90MHz左右出现两个峰，导致EMI难以达标。
图 3：汽车电子长线与无输出线负载传导EMI对比
为了解决长线负载导致的EMI 尖峰问题，MPS 利用CM EMI 模型来解释传导 EMI 的测试结果。稍后，我们会使用传输线模型和降噪方法再进行测试。
CM EMI 模型
图4展示了Class-D的拓扑及其传导共模噪声路径。共模噪声由电路中开关频率的dv/dt节点和di/dt环路产生，通过输出滤波器到输出侧，再通过输出侧对地的阻抗到参考地上，最后从LISN流回EUT。由此也可以看出，输出线对地的寄生阻抗（ZP）在分析传导EMI上很重要。除此之外，CSWP为dv/dt节点对参考地的寄生电容，也为共模噪声提供了一条通路。
图 4：D 类功率放大器的 CM 噪声路径
根据我们熟悉的替代定理（Substitution Theorem），在分析EMI问题时，我们可以用电压源或者电流源对开关上的电压或者电流进行等效替代。图5为应用了替代原理之后的电路图。
图 5：应用替代定理分析Class-D功放的共模噪声
接下来，我们应用叠加定理单独分析每个噪声源产生的噪声。与电压源不同，电流源本身不会产生噪声。图 6 显示了如何基于叠加定理分析共噪声电流源。
图 6：应用叠加定理分析Class-D功放的共模噪声电流源
图 7 显示了基于叠加定理对 CM 噪声电压源的分析，初步的 CM 模型也由此而来。
图 7：应用叠加定理分析Class-D功放的共模噪声电压源
由于输出线是一个很大的导体，因此它与 EUT 之间的近场耦合不能忽略。近场耦合有两种类型：电场耦合和磁场耦合。
电场耦合是指，电路中某一导体（如开关节点SWA，SWB）和另一导体（如输出线）之间有寄生电容，若该导体为高频dv/dt节点，那么会有噪声电流流向另一导体，从而产生EMI噪声。
磁场耦合是指，电路中某个环路（如开关与输入电容之间的环路）和另一环路（如输出线和参考地之间的环路）有互感，如果该环路为高频di/dt环路，则会在另一环路上产生感应电动势，从而产生EMI噪声，如图8右图所示。
图 8：电场耦合和磁场耦合产生的 EMI 噪声
若考虑电场耦合，图7中的模型可以用图9加以修正，其中CCou代表从开关节点耦合到输出线上的电容，可见，在高频时，这个电容阻抗很小，会将噪声电流旁路，并造成EMI问题。
图 9：考虑电场耦合 的EMI 模型
修改图 6 中的 dI/dt 环路可以产生磁场耦合。图 10 显示了 CM 路径如何在去耦后获得额外的噪声源。该噪声与 dI/dt 以及输入环路和输出线对地环路之间的电感成正比。
图 10：改进后的磁场耦合EMI 模型
总结
本文总结了设备的长期负载传导 EMI 测试结果，同时采用替换定理和叠加定理获得 CM EMI 模型。另外还考虑了近场耦合问题，近场耦合可以大致分为电场耦合和磁场耦合。该系列文章的中篇将更深入地探讨传输线模型，以得到输出长线对地阻抗；下篇将总结三种EMI 降噪方法，同时分析和预测谐振峰值。
审核编辑：汤梓红
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