【導讀】本文為探討EMI 問題建模與分析策略的兩篇系列文章之下篇，上篇 探討了降低差模 (DM) 噪聲和共模 (CM) 噪聲這兩種傳導EMI的方法，本文則涵蓋了基于戴維南定理的輻射 EMI 建模策略以及接地阻抗降低技術。
輻射EMI
輻射EMI傳統上使用電磁場理論來推導并分析，但對工程應用而言，能夠理解并解決 EMI 問題的相關復雜公式數量有限。
減輕 EMI 問題的另一種方法是建立清晰的電路模型。圖 1 顯示了輻射 EMI 如何通過輸入和輸出電源電纜組成的偶極天線進行傳播。在這種情況下，變換器的CM噪聲源是 EMI 的主要成因。
圖 1：輻射 EMI 產生的機制與模型
根據戴維南定理，變換器可以建模為電壓源及其串聯阻抗。同時，天線可以轉換為三個阻抗 (RL、Rr 和 XA) ，分別表示其自身功率耗散、輻射能量和天線存儲的近場能量。下面，我們將分別針對變換器和天線做進一步討論。
變換器
如圖 2所示，變換器的電源越弱，輻射的能量就越少。理想情況下，非隔離式變換器的輸入和輸出之間沒有阻抗，因為接地阻抗被忽略。在這種情況下，等效源 (VCM) 為零，并且不會產生 EMI 輻射。然而實際上，大地之間的PCB 走線會產生電感，并在輸入 (P1) 和輸出 (P3) 之間產生壓降，從而產生輻射 EMI。
圖 2：理想情況和實際情況下的降壓-升壓變換器電路模型
根據以上原理來我們來創建輻射EMI模型。與傳導 EMI模型類似，基于替代定理用電壓源和電流源來替代有源開關。如圖3所示，電壓源和電流源都會產生EMI 噪聲，其中 a 是電壓源 (VSW) ，b 是電流源 (ID)。
圖 3：降壓-升壓變換器的輻射EMI 噪聲源
從圖 3 中的模型可以得出從每個源到等效CM 源的傳遞函數。在本實驗中，電壓源和電流源通過示波器來測量，每個阻抗的大小由阻抗分析儀來測量，而等效源則通過計算來預測。圖 4顯示的預測值與等效CM源的測量值相匹配，從而驗證了模型的合理性。
圖 4：等效 CM 源預測值與測量值的比較
天線
固定天線傳輸增益根據天線的位置和長度來測量，這些值在 EMI 測試中也是固定的。利用上文獲得的等效 CM 源和阻抗，下一步就可以預測實際 的EMI噪聲。圖 5描述了預測降壓-升壓變換器EMI噪聲的過程。其中圖 5a 展示了輻射 EMI的預測流程，圖 5b 則顯示了預測結果與測量結果的比較。比較結果證實，預測的輻射EMI 噪聲與測量值幾乎一致。
圖 5：輻射 EMI 預測流程以及預測值與實際輻射EMI 噪聲的比較
抑制輻射EMI的有效方法是降低接地阻抗。對非隔離式變換器而言，常用的抑制技術有兩種。第一種是最小化輸入與輸出之間的距離，以降低接地走線阻抗；第二種是在輸入和輸出節點之間添加一個小型旁路電容，以降低輸入和輸出之間的阻抗（見圖 6）。
圖 6：通過修改 PCB 布局來降低 EMI
圖 7 證實了這些技術的有效性。其中，圖 7a 比較了原始 EMI 性能與修改了輸入與輸出節點之間PCB 布局后的EMI 性能，圖7b則顯示了添加交叉電容器后的 EMI 測量結果。兩種技術都能有效降低EMI噪聲。
圖 7：通過改進PCB 布局和添加交叉電容器來降低EMI
結論
本文回顧了控制輻射 EMI 噪聲的方法，這些方法針對變換器和天線，利用了其電路模型的物理意義。對EMI問題來說，建模與分析方法至關重要，它助力汽車電子工程師滿足EMI要求并提升汽車電子的安全標準。
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