如何使用LTspice进行EMC仿真获得最佳结果

作者：Richard Anslow and Sylvain Le Bras

随着物联网连接设备和5G连接等技术创新成为我们日常生活的一部分，调节这些设备的电磁辐射并量化其对EMI的抗扰度的需求也随之增加。满足 EMC 法规遵从性目标通常是一项复杂的任务。本文提供开源LTspice仿真电路来回答关键问题：（a）我的系统是否通过EMC测试，还是需要添加缓解技术？以及（b）我的设计对外部环境噪音的免疫力如何？

为什么我应该使用LTspice进行EMC仿真？

EMC 设计应尽可能严格地遵循产品发布时间表，但事实往往并非如此，因为 EMC 问题和实验室测试可能会将产品发布延迟数月。

通常，仿真侧重于电子设备的功能方面;但是，LTspice等简单开源工具也可用于模拟任何器件的EMC行为。由于我们中的许多人在家工作，而EMC实验室成本很高（每天高达2000美元），因此精确的EMC仿真工具更加有用。花几个小时模拟EMC故障和电路修复有助于避免多次实验室测试迭代和昂贵的硬件重新设计。

为了有用，EMC仿真工具需要尽可能准确。本系列文章提供了一些指南和LTspice EMC电路模型，这些模型经过仿真并与实际实验室测量完美匹配。

本文是三篇系列文章的第1部分，为以MEMS振动传感器为核心的示例传感器信号链提供EMC仿真模型。然而，许多组件和EMC仿真技术并非MEMS解决方案所独有，可用于广泛的应用。

第1部分：电源组件和传导辐射和抗扰度。

第 2 部分：电缆驱动收发器链路上的信号完整性和瞬态鲁棒性。

第3部分：信号调理组件和增强对外部噪声的抗扰度。

使用LTspice解决辐射和抗扰度问题

阅读本文后，您应该能够回答以下关键问题：

a） 我的系统是否可能通过EMC测试？我是否应该为共模电感器、滤波电感器或电容器保留额外的占位面积？阅读本文后，您应该能够使用LTspice绘制降压转换器电源设计中的差分和共模噪声，并显示电路如何通过或失败传导辐射标准限值，如图1所示。

图1.差分和共模噪声的LTspice图，带传导辐射限制线。

（b） 是否需要线性稳压器为我的敏感负载提供稳定的电压？阅读本文后，您应该能够使用LTspice来了解降压转换器的输出是否需要LDO稳压器，具体取决于设计中可容忍的降压输出纹波电压电平。此外，本文还提供可配置的电源抗噪性（PSRR）测试电路。

用于传感器的降压转换器

MEMS振动传感器通常安装在小型金属外壳中，直径通常为20 mm至30 mm，高度为50 mm至60 mm。带数字信号链的传感器通常提供 9 V 电压直流至 30 V直流在长电缆上，功耗低于 300 mW。需要微型电源解决方案才能安装在这个小型外壳内，具有高效率和宽输入范围。

LT8618、LT8618-3.3 和 LT8604 是紧凑型、高速降压型开关稳压器，非常适合 MEMS 传感器应用。LTspice 型号已可用于 LT8618 和 LT8618-3.3。LT8618的稳压提供非常低的输出纹波，峰峰值小于10 mV。然而，输出电容组的寄生电阻和电感会增加这种纹波，导致降压电路产生不必要的传导辐射。由于容性负载、降压稳压器输出开关寄生效应以及PCB设计和传感器外壳之间的耦合电容，可能会产生寄生效应。

提取和使用寄生值

接下来的部分将介绍工程师如何使用伍尔特REDEXPERT从真实电容器中提取ESL和ESR寄生值，并使用LTspice仿真电路。在许多系统的输入和输出端，电容和电感寄生效应对EMI性能起着重要作用。分离各个寄生贡献有助于用户在降低系统输出纹波方面做出最佳选择。

降压转换器的传导辐射仿真与LTspice和伍尔特REDEXPERT工艺流程进行了讨论，如图2所示。通常对于降压转换器，输出纹波与信噪比（SNR）相关，而输入纹波与EMC性能密切相关。

图2.使用LTspice模拟传导发射的工艺流程。

概述图2仿真方法后，本文将提供使用DC2822A LT8618演示板进行实际实验室测量和仿真关联。

LTspice测试电路与伍尔特REDEXPERT数据

降压转换器的输出纹波电压是电容阻抗和电感电流的函数。为了获得更好的仿真精度，伍尔特REDEXPERT可用于选择4.7 μF输出电容（885012208040），并提取频率范围内的ESR和ESL。ESL和ESR有时会加载到LTspice电容器模型中，但快速检查将证明ESL在LTspice电容器数据中经常被省略。图3a和3b显示了两个等效电路：（a）使用4.7 μF输出电容以及分立ESL和ESR值，以及（b）使用伍尔特电容，包括ESR和ESL参数。

图3.LTspice测试电路，（a）使用4.7 μF输出电容以及分立ESL和ESR值，（b）使用伍尔特电容，包括ESR和ESL参数。

REDEXPERT显示许多元件的频率阻抗，从而能够确定每个无源器件的关键寄生效应。这些寄生值稍后可以在LTspice模型中实现，从而能够单独评估对总电压纹波的贡献。

如前所述，LT8618提供非常低的输出纹波，峰峰值小于10 mV。但是，在仿真容性负载和ESL的影响时，输出纹波电压为44 mV p-p。电容ESL对频率范围内的噪声有显著影响，如图4 FFT图所示。

图4.FFT图显示了由于4.7 μF电容的纯电容、ESL和ESR而对频谱的个别贡献。

使用LTspice LISN电路评估降压输入端的EMI一致性

为了评估传导设置中的EMC合规性，大多数标准依赖于线路阻抗稳定网络（LISN）或人工电源网络（AMN）。这些器件具有类似的功能，放置在电路电源和被测器件（DUT）之间，此处为降压转换器。LISN/AMN由低通和高通滤波器组成。低通滤波器为低频功率（直流至几百Hz）提供到DUT的路径。高通滤波器用于测量电源和返回电源线路噪声。这些电压通过50 Ω电阻测量，如图5和图6所示。1在实际实验室中，该电压是使用EMI接收器测量的。LTspice可用于探测噪声电压，并在传导发射测试频谱上绘制图。

图5.LISN 放置在电源和被测设备 （DUT） 之间。

图6.LISN内共模和差模干扰的表示。1

传导辐射可分为共模（CM）噪声和差模（DM）噪声。区分CM和DM噪声非常重要，因为EMI抑制技术可能对CM有效，但对DM噪声无效，反之亦然。由于V1和V2电压同时输出，因此在传导辐射测试中可以使用LISN分离CM和DM噪声，如图6所示。1

DM噪声在电源线和返回线之间产生，而CM噪声通过杂散电容C在电源线和接地参考层（如铜测试台）之间产生流浪.C流浪实际上，对降压转换器输出端的开关噪声寄生效应进行建模。

图6对应的LTspice LISN电路如图7所示。为了获得更高的仿真精度，L5 和 L6 电感器用于模拟 LISN 电源引线到测试电路的电感。电阻R10模拟测试板槽接地层的阻抗。图 7 还包括用于 C 模型的电容器 C10流浪.电容器 C11 模拟传感器 PCB 和传感器机械外壳之间的寄生电容。

图7.LTspice LISN 电路、LT8618 降压转换器和寄生建模。

运行仿真时，应设置LTspice以帮助LISN电路更快地达到稳定状态，因为错误的启动条件选择会导致长时间振荡。

确保取消选中从零开始外部直流电源电压，并根据需要指定电路元件的初始条件（电压和电流）。

图8显示了使用从LISN端子V1和V2测量的LTspice FTT图的CM和DM噪声。为了重现图6所示的算术运算，将DM噪声的V1和V2减去并乘以0.5，然后将V1添加到V2中，结果乘以0.5的CM噪声。

图8.DM噪声（黑色）和CM噪声（蓝色）的LTspice FFT图。

实验室中传导发射通常以dBμV为单位，而默认的LTspice单元为1 dbV。两者之间的关系为1 dbV = 120 dBμV。

因此，以dBμV为单位的DM噪声的LTspice表达式为

CM 噪声的表达式为

添加传导辐射限制线

LTspice FFT波形查看参数可以使用绘图设置文件进行编辑。使用 LTspice FFT 菜单，导航到“保存绘图设置”并点击“保存”。可以使用文本编辑器打开绘图设置文件，并进行操作以添加EN 55022传导发射限制线以及相关的EMC频率范围（10 kHz至30 MHz）和幅度（0 dBμV至120 dBμV）。

可以使用Excel操作EN 55022传导发射标准频率和幅度限值，以提供正确的语法以复制并粘贴到LTspice绘图设置文件中，如图9所示。线定义可以粘贴到绘图设置参数中，如图 10 所示。图10还显示了X频率和Y幅度参数。

图9.生成正确的语法以复制并粘贴到 LTspice 绘图设置文件中。

图 10.添加传导发射通过/失败线定义和频率/幅度尺度。

图11显示了传导辐射限值线，以及降压电路的DM和CM传导辐射。该电路在2.3 MHz至30 MHz频段的辐射测试中失败。

图 11.LTspice FFT 图和 EN 55022 传导辐射限制线。

修复降压转换器 EMI

为了降低电路的DM噪声，可以在输入轨上放置一个非常低的ESL和ESR电容，例如C12 22 μF伍尔特885012209006，如图12所示。

图 12.修复降压转换器的排放。

为了降低共模噪声，可以从LTspice库中选择伍尔特共模扼流圈，例如250 μH 744235251（WE-CNSW系列）。4.5 mm × 3.2 mm × 2.8 mm 的封装尺寸非常适合空间受限的 MEMS 传感器外壳。图13显示了固定降压的FFT图。

图 13.固定降压转换器的FFT图。

使用 DC2822A LT8618 演示板进行实际实验室测量和仿真关联

本文为使用LTspice进行传导辐射仿真提供了指导。这些方法可用于任何降压转换器电路。现在，我们将注意力转向使用DC2822A LT8618演示板的仿真和EMC实验室关联，如图14所示。DC2822A演示板包括多个输入和输出电容，这些电容在以前的仿真模型中没有（例如，图7和图12）。图15所示的LTspice模型包括这些电容以及使用伍尔特REDEXPERT获得的电容ESL和ESR值。

图 14.DC2822A LT8618 演示板。

图 15.LTspice模型对应于DC2822A演示板V在配置。

DC2822A 演示板包括两个电源输入：VIN 和 VEMI。VIN输入电源轨绕过PCB上使用的铁氧体磁珠。图15 LTspice模型对应于演示板VIN配置。图16显示了LTspice仿真的FFT，共模辐射在2 MHz时差一点就无法达到传导辐射限值线。

图 16.对应于DC2822A V的LTspice FFT图在配置。

为了缩短仿真时间并优化LTspice仿真与DC2822A演示板实验室测量的匹配，与以前的模型相比，对图15进行了以下更改（图7和图12）：

无需对外壳和 PCB 之间的 100 pF 电容进行建模。我们只是对DC2822A演示板进行建模。

从一开始就假设这种精心设计的PCB上的开关噪声可以忽略不计。之前，我们在图7和图12中估计开关噪声为5 pF。

忽略LISN和DC2822A演示板之间引线的极小电感。

在50 μH LISN电感器上并联添加1 kΩ电阻，以减少仿真时间（缩短LISN建立时间）。

通过图15电路中的这些变化，图17显示了LTspice仿真与DC2822A演示板在EMC实验室中的实际测量的比较。LTspice仿真模型以出色的精度预测实际实验室发射的主峰值。

图 17.DC2822A V在配置，LTspice和实际EMC实验室辐射的比较。

通过铁氧体磁珠（EMI 滤波器）VEMI 轨测量，DC2822A 演示板可轻松通过 60 dBμV 的传导辐射限制线。事实上，在较低频率下，DC2822A演示板只有30 dBμV至35 dBμV的辐射。

传导抗扰度

有线状态监测传感器具有严格的抗噪性要求。对于铁路、自动化和重工业（例如纸浆和造纸加工）的CbM，振动传感器解决方案需要输出小于1 mV的噪声，以避免在数据采集/控制器处触发错误的振动水平。这意味着电源设计需要向测量电路（MEMS信号链）输出非常小的噪声（低输出纹波）。电源设计还必须不受耦合到电源电缆的噪声（高PSRR）的影响。

如前所述，由于非理想的容性负载和突发操作，LT8618 可能具有数十毫伏的输出纹波。对于 MEMS 传感器应用，LT8618 需要在其输出端使用一个超低噪声和高 PSRR LDO 稳压器，例如 LT3042。

用于抗噪性 （PSRR） 的灵活仿真电路

图18所示的LTspice电路可用于仿真LT3042的PSRR。图18所示的时域瞬态模型是交流扫描方法的替代方法。这种时域模型比交流方法更灵活，甚至允许用户仿真开关稳压器的PSRR。仿真电路频率扫描电压输入轨的变化，并模拟输出电压的相应变化。换句话说，仿真评估方程：PSRRLT3042= （V 的变化在）/（VO 中的更改.!UT） 过频。

图 18.仿真LT3042 LDO稳压器的PSRR，频率范围为10 kHz至80 MHz。

图 18 包含几个强有力的语句。.meas和.step语句的组合使用户能够在LDO输入端添加电压噪声源，并测量电压输入随频率的阶梯变化的LDO PSRR。

.meas 声明

这允许用户测量信号在一定时间范围内的峰峰值，并将其输出到SPICE错误日志。图18测量输入和输出纹波，并计算测量数据的PSRR。所有这些都输出到 SPICE 错误日志中。

.step 语句

.step 命令可用于在单次模拟运行中跨一系列值扫描变量。图18中的.step语句在50 Hz至10 MHz范围内对V2电压源正弦波进行步进。

C2输出电容初始电压可设置为3.3 V，以加快建立（和仿真）时间。这是通过编辑电容属性来完成的，通过禁用LTspice中的0 V启动外部直流电源电压选项，可以更快地完成。

使用 SPICE 错误日志

模拟完成后，右键单击其中一个窗口，选择视图并选择 SPICE 错误日志（或使用 Ctrl+L 热键）。SPICE 错误日志包含 .meas 语句的数据点。

要绘制 .meas 数据，请右键单击错误日志并选择打印步骤的 .meas 数据，右键单击空白屏幕以选择“添加跟踪”（或使用 Ctrl+A），然后选择 PSRR。右键单击 x 轴并选中单选按钮以对数刻度显示。这将显示PSRR随频率的变化，如图19所示。

图 19.绘制LT3042 LDO稳压器的仿真PSRR。

原始LT3042数据手册曲线中的一些伪影不可见（约2 MHz），但全局形状和值接近数据手册。

图20显示了输出电压纹波随频率的变化。在50 Hz至10 MHz范围内，这小于200 μV。在相同频率范围内，输入电压纹波为1 V p-p。LT3042 为噪声敏感型 MEMS 解决方案提供了一个卓越的 PSRR 和低噪声电源。

图 20.绘制LT3042仿真输出电压纹波随频率变化的曲线图。

使用SPICE错误日志的.meas方法可用于模拟许多其他参数，包括：

开关稳压器的PSRR

PSRR 与压差的关系 与频率的关系

PSRR 与旁路网络

RMS 输出纹波与直流输入的关系

效率与组件价值

总结

本文提供LTspice仿真电路和方法，用于绘制降压转换器电源设计中的差分和共模噪声。本文使用户能够绘制传导辐射限制线，并有助于预测EMC实验室故障。仿真方法通过实验室测量进行验证，并与LT8618 DC2822A演示板密切相关。

在 LT8618 降压型转换器的输出端使用 LT3042 LDO 稳压器可为 MEMS 传感器应用提供一种超低噪声、高 PSRR 解决方案。一个用于PSRR的灵活仿真电路与LT3042数据手册非常吻合。LT3042在50 Hz至10 MHz范围内以小于200 μV的输出纹波进行仿真，即使在存在1 V p-p大输入电压噪声的情况下也是如此。

审核编辑：郭婷