研究干貨分享：基于Ansys Circuit軟件的信號(hào)EMC分析

1、EMC的性質(zhì)

EMC（Electromagnetic Compatibility），電磁兼容性，他的定義為，即不對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，并且受到來(lái)自其它設(shè)備的電磁干擾時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行不受影響，仍保持原有的性能。EMI（Electromagnetic Interference），電磁干擾，由于IC工作產(chǎn)生噪聲EMI，給周邊IC和系統(tǒng)帶來(lái)干擾或者干擾性的電磁波，所以需要設(shè)計(jì)不產(chǎn)生EMI的電路。

EMS（Electromagnetic Susceptibility），電磁干擾敏感度或電磁敏感性，他的定義為，即使受到EMI影響也不會(huì)造成干擾的能力與耐受性，需要設(shè)計(jì)能承受EMI的可靠性電路。測(cè)試領(lǐng)域里面EMI分為兩種，傳導(dǎo)噪聲（Conducted Emission）和輻射噪聲（Radiated Emission）。

傳導(dǎo)噪聲是指經(jīng)由線體或PCB板布線傳導(dǎo)的噪聲，輻射噪聲是指排放（輻射）到環(huán)境中的噪聲。對(duì)于這些噪聲，EMS中分別都有耐受性要求，稱為傳導(dǎo)抵抗力（Conducted immunity）和輻射抵抗力（Radiated immunity）它們的關(guān)系如下：

2、輻射機(jī)制與頻譜

2.1輻射原理

通電導(dǎo)體在直流時(shí)僅產(chǎn)生磁通量，而在直流時(shí)候會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)和電場(chǎng)，輻射時(shí)候由于楞次和安培定律，磁場(chǎng)在導(dǎo)體周圍比較強(qiáng)，電場(chǎng)在遠(yuǎn)處比較強(qiáng)。這是由于輻射的電生磁，磁生電，在自由空間進(jìn)行交替?zhèn)鞑ザ鴮?dǎo)致的，變化的di/dt,dv/dt都可以看作是干擾源，干擾路徑需要考慮共模耦合，容性耦合，感性耦合和磁回路耦合，感性耦合也可以看作磁回路耦合，只是這兒的磁回路耦合路徑是可以看見(jiàn)的，感性耦合可以看作看見(jiàn)的回路和看不見(jiàn)的回路。輻射干擾源可歸納為（磁偶極子）輻射和（電偶極子）輻射。如果根據(jù)場(chǎng)區(qū)遠(yuǎn)近劃分，（近區(qū)場(chǎng)）主要是干擾源的感應(yīng)場(chǎng)，而（遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)）呈現(xiàn)出輻射場(chǎng)特性，通常以通常以1/6波長(zhǎng)作為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的臨界點(diǎn)：

處在直流狀態(tài)的電信號(hào)，f=1/T，T足夠長(zhǎng)，可以理解其基頻信號(hào)頻率為0，那么它的各種奇次偶次諧波也是0，即沒(méi)有高頻信號(hào)，只會(huì)產(chǎn)生磁通。而處在交流狀態(tài)的電信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生不斷變化的磁場(chǎng)，不斷變化的磁場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生不斷變化的電場(chǎng)，循環(huán)這一過(guò)程，引入位移電流的概念，就是輻射的核心機(jī)理。

在系統(tǒng)的信號(hào)傳輸中，IC與IC之間的信號(hào)在高速調(diào)制信號(hào)的發(fā)射與接收過(guò)程中，形成依賴于位移電流的電磁干擾，是實(shí)際項(xiàng)目中比較令人頭疼的問(wèn)題,通過(guò)分解信號(hào)的成分，在時(shí)域和頻域上形成觀測(cè)，以檢測(cè)信號(hào)時(shí)否收到干擾，是研究信號(hào)的基礎(chǔ)，由傅里葉變換的基礎(chǔ)理論我們知道，信號(hào)速率越高，碼元成分越復(fù)雜，頻率與幅度信息與組合種類也越多，在一個(gè)碼原信號(hào)的上升、下降過(guò)程，上升與下降的時(shí)間Ts直接決定了碼元信息的能量密度，也就是上升、下降沿的直線斜率衡量了信息的大小與成分，由此可見(jiàn)，傅里葉變換的本質(zhì)是用一組正弦或余弦波擬合出一個(gè)方波，反之亦然。

2.2頻譜與分解

從上圖可以看出，數(shù)字波形是由多種頻率疊加而形成的，示波器和頻譜儀分別從兩個(gè)視角獲得一個(gè)數(shù)字波形的不同信息，示波器獲得bit信息，頻譜儀獲得頻譜信息或者能量信息。

而基于傅里葉變換的理論上的脈沖波形頻譜，這是一個(gè)連續(xù)化頻譜，振幅隨著頻率的升高而衰減，衰減斜率隨著tw和ts而變化。藍(lán)色線表示脈沖的ts變慢后的頻譜變化，斜率變?yōu)?40dB/dec 時(shí)的1/??ts頻率降低（向左偏移），最終結(jié)果是其后的振幅減少，即當(dāng)ts延遲時(shí)頻譜的振幅衰減，頻譜下降。

3、頻譜的影響與共模/差模信號(hào)研究

3.1基于circuit的差、共模系統(tǒng)

通過(guò)ansys-circuit軟件建立差模電路與共模電路，導(dǎo)入相應(yīng)模塊的symbol,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的分析系統(tǒng)，對(duì)信號(hào)源進(jìn)行編輯，振幅=10V，頻率=400kHz，Duty=50%，tr/tf=10ns，放置信號(hào)源，探針等，完成信號(hào)的系統(tǒng)搭建。

對(duì)于信號(hào)波形的變化，頻譜將以怎樣的趨勢(shì)變化，使用實(shí)際的頻譜分析儀數(shù)據(jù)來(lái)分析頻率等其他參數(shù)變化時(shí)的頻譜變化。這里將通過(guò)實(shí)際的DC-DC的開(kāi)關(guān)相關(guān)的頻譜來(lái)分析并解決EMC問(wèn)題時(shí)所需要的理論知識(shí)。圖A中的圖形是初始條件下的數(shù)據(jù)：振幅=10V，頻率=400kHz，Duty=50%，tr/tf=10ns。中間的圖表示n次諧波和振幅（V）的關(guān)系，1倍的頻率＝基波，400kHz的分量最大，以奇數(shù)倍的頻率形成頻譜。僅產(chǎn)生奇次諧波是Duty為50%（＝1：1）的頻譜特征，各分量的大小為基波分量的1/次數(shù)，例如3次諧波分量為1/3，n次諧波分量為1/n。最下面的圖是振幅為dBμV的對(duì)數(shù)曲線圖，dBμV是基于以1μV電壓為基準(zhǔn)的電壓比的dB 值（1μV＝0dBμV）。

圖A 初始波形

圖B 頻率提高到2M

圖B是將頻率提高到2MHz時(shí)的頻譜，從頻率--振幅（dBμV）關(guān)系圖可以明確看出，當(dāng)基波頻率增高時(shí)，整個(gè)頻譜會(huì)向右（頻率高的一側(cè)）偏移。

圖C tr/tf提高到100ns

圖C是tr和tf的速度都減慢為100ns時(shí)的頻譜，由于進(jìn)入-40dB/dec衰減時(shí)的頻率降低，因此高次諧波的頻譜振幅衰減。

圖D將Duty從50%變?yōu)?0%

圖D是將Duty從50%變?yōu)?0%時(shí)的頻譜，由于Duty不是1:1，因此會(huì)產(chǎn)生偶次諧波，但峰值基本上沒(méi)變化，隨著脈沖寬度tw變窄，基波頻譜的振幅衰減。

圖E 將tr（上升時(shí)間）減慢

圖E是僅將tr（上升時(shí)間）減慢時(shí)的頻譜，tr相關(guān)的高次諧波分量因tr變慢而衰減。即僅上升速度減慢 ? 上升分量相關(guān)的高次諧波衰減。總而言之，當(dāng)基波頻率較低且上升/下降較慢時(shí)，諧波頻譜會(huì)衰減，從EMC的角度來(lái)看，也就是頻譜的振幅較低時(shí)更有利。

對(duì)比圖A和圖D，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)上升沿，下降沿不變時(shí)，僅僅占空比減小，頻率幅值強(qiáng)度會(huì)降低，高次諧波分量不變，這一方面是因?yàn)檎伎毡冉档?，磁通?L*I，占空比減小，I減小，則磁通量減小，磁場(chǎng)能量降低.

綜上，降低信號(hào)上升沿，降低占空比，可以改善EMI性能。

3.2 對(duì)比分析結(jié)論：

頻率變高，頻譜整體增加

上升/下降速度減緩，低頻段衰減-40dB/dec

Duty變更，發(fā)生偶數(shù)次高次諧波，但對(duì)頻譜的峰值無(wú)影響，基波下降

僅上升速度減緩，上升成分在低頻段衰減

頻率越低，上升/下降越慢，頻譜越低

4、差模與共模EMC

4.1 差模與共模系統(tǒng)

一般對(duì)于系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，差模噪聲是有用的信號(hào)，共模噪聲是無(wú)用的信號(hào)，共模抑制在差分電流源，電壓源等電路系統(tǒng)中十分重要。

如下圖所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的差模系統(tǒng)和共模系統(tǒng)：

差模+噪聲到底電容=共模

對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化與分解。電源作為發(fā)送端，提供一定頻率甚至帶調(diào)制的電源信號(hào)，這個(gè)過(guò)程中收到外界的干擾和自身的噪聲干擾，pcb電路系統(tǒng)作為接收端，形成具有環(huán)路面積S的系統(tǒng)，差模噪聲幅度相同，相位相反；共模噪聲幅度相同，相位相同，如下圖所示：

差模噪聲輻射??????共模噪聲輻射

進(jìn)行代數(shù)幾何簡(jiǎn)化后的距離與尺寸模型：

設(shè)100MHz頻率的差模噪聲電流1uA流過(guò)20cm2環(huán)路面積。距離1m處 (90度)的電場(chǎng)強(qiáng)度值為：Ed = 1.316 * 10-14 *( Ld *f2 * S/r)

= 1.316 *10-14 * (1uA x (100MHz )2 * (0.2 x 0.01)/1)

= 0.26uV/m

共模噪聲：

設(shè)100MHz頻率的共模噪聲電流1uA流過(guò)20cm的線纜。距離1m處(90度)的電場(chǎng)強(qiáng)度值為:? Ec = 1.257 x 10-6 *(（Ic*f* L）/r)

=? 1.257 x 10-6 *((1uA * 100MHz * 0.2)/1)

= 25.1uV/m

由此可見(jiàn)，即使的噪聲電流值相同，受共模噪聲的影響也很大 (在上例中為96倍)。

如果線束采用絞合線則面積S減小，差模噪聲減少。

面積S對(duì)共模噪聲無(wú)影響。

4.2 結(jié)論

差模噪聲輻射強(qiáng)度正比于環(huán)路電流I，頻率平方，環(huán)路面積，反比于輻射源和干擾源距離。環(huán)路面積越大，線纜越長(zhǎng)，EMI和EMC性能都不好。

差模干擾和共模干擾只是由于不同的耦合路徑下造成的結(jié)果，本質(zhì)上還是要從干擾源可能引起的路徑出發(fā)。

5、EMC的屏蔽

電磁場(chǎng)屏蔽本質(zhì)是堵+消耗，低頻電場(chǎng)/磁場(chǎng)是疏，靜電場(chǎng)是疏。

電磁屏蔽是以某種材料（導(dǎo)電體或?qū)Т朋w）制成的屏蔽殼體，將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來(lái)，形成電磁隔離，即其內(nèi)的電磁場(chǎng)不能越出這一區(qū)域，而外來(lái)的輻射電磁場(chǎng)不能進(jìn)入這一區(qū)域（或者進(jìn)入該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減）。

（1）高頻磁場(chǎng)屏蔽采用低電阻率的良導(dǎo)體材料，如銅、鋁等。其屏蔽原理是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽體表面所產(chǎn)生的渦流的反磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到屏蔽的目的。

（2）低頻磁場(chǎng)屏蔽常用高磁導(dǎo)率的鐵磁材料，如鐵、硅鋼片坡莫合金。其屏蔽原理是利用鐵磁材料的高磁導(dǎo)率對(duì)干擾磁場(chǎng)進(jìn)行分路。