SaberRD的反激变换器电磁干扰分析

随着电子信息技术的高速发展，电子设备系统也越趋于高速化、复杂化与集成化，通常包括各种印刷电路板（PCB）、机电系统、开关噪声电路、高速芯片、线缆线束、机箱机柜等多个部分，互连设计非常复杂，所以对如此复杂的系统进行电磁兼容分析和设计是一项难度非常高的工作。

如果仅仅靠经验进行设计，不仅成本高，而且稳定性差，现有的设计手段已经无法满足产品EMC设计和研发的需求；同时，电磁兼容测试本身就是一个耗时繁琐的工作：需要利用电磁兼容暗室在全空域，全频段进行测量，不仅测量成本高昂，而且，如果EMI测量超标，后续的查找/修正问题基本上依赖于经验和猜测。

在这样的情况下，SaberRD可以通过可靠的、完备的仿真技术手段构建虚拟分析平台，能够更高效的发现问题、分析问题和解决问题。并通过仿真设计验证，提高整体产品系统的电磁兼容可靠性问题，帮助缩短设计周期、降低成本、提高产品竞争力、技术人才培养。

01

概述

EMI标分类

EMI可分为四类:

1)传导发射：传导发射是指通过物理接触，如连接电缆、连接器等，发射出高频的不希望的信号。

2)辐射：辐射是由没有物理接触的感应过程引起的。高频信号从导体表面辐射出来，并通过空气或其他方式与附近的设备耦合。

3)传导敏感度：传导敏感度是指能够抑制通过连接电缆/连接器注入的高频干扰。

4)辐射易感性：辐射易感性是设备拒绝不希望的高频信号试图通过空气或其他方式耦合的能力。

EMC标准

各种政府机构都制定了标准，为产品在该国销售设定了具体的辐射和传导噪声排放数量限制。在美国，这些监管机构是联邦通信委员会(FCC)和国防部(DOD)。在欧洲，所有的标准都由欧洲经济联盟(EEC)制定。还有一个国际机构叫国际无线电干扰特别委员会(CISPR)，它是国际电子技术委员会(IEC)的一个委员会，没有监管机构，但制定标准，然后由个别国家采用，以促进国际贸易。

本设计实例主要介绍反激变换器的传导辐射，以及将CM噪声控制在可接受范围内的滤波技术。

02

反激变换器设计

反激变换器设计

本例中的反激变换器设计是一个AC/DC变换器，它将单相交流电源转换为直流输出。这个设计例子的目的是了解反激变换器的行为传导发射。文中详细介绍了共模噪声的测量方法，并分析了几种常用的共模噪声滤波技术。

变换器在开环模式下工作，开关在100kHz开关频率下工作，因为感兴趣的区域是测量噪声，而不是变换器的闭环操作。虽然实际的源是交流的，但输入也是直流源。这是为了降低将电路带入稳态进行噪声测量的复杂性。

本设计要素

反馈逆变器：

*是一个匝数比为10:10:1的线性变压器(初级:补偿: 二次)。
*漏电

电感、旁路电容、交叉耦合电容和其他寄生元件均为Saber RD建模，以允许噪声电流在变压器的所有三个绕组之间通过。
*补偿绕组的放置是为了帮助一种噪声滤波技术，这将在下面的章节中解释。

线路阻抗稳定网络(LISN)

*变换器的输入端连接到线路阻抗稳定网络 (LISN)。
*LISN与电力线串联放置，并作为进行模态测试的测量点。

线路滤波器

*滤除共模噪声的常用方法是CM扼流圈与Y帽组合。
*CM扼流圈有两个绕组，它们相互耦合，消除CM噪声。Y帽为抵消的CM电流形成了到地的路径。

CM和DM噪声测量

*来自LISN的测量输出被输入到CM和DM测量电路，以获得噪声测量的可读输出。

03

电磁干扰降低技术

电磁干扰标准范围

本实例将考虑FCC和CISPR标准，以检查设计是否符合标准。图2所示为本标准对a类设备规定的传导辐射限值作为频率的函数。

实现降低共模噪声的技术

CM扼流圈和Y电容器

*共模噪声通过使用共模扼流圈和安装在每条线路和金属外壳/地面之间的电容器(线路旁路电容器或y型电容器)来抑制。

*在供电线路的输入部分安装共模扼流圈以抑制共模噪声。由于磁通量在铁氧体磁芯内部抵消，差分模式电流不会产生阻抗。磁饱和问题小。共模扼流圈适用于大电流线路上的共模噪声抑制，如交流/直流电源线路。由于它们不影响信号波形，因此也适用于信号波形失真引起问题的线路(如视频信号线)上的共模噪声抑制。

*y型电容向噪声源返回噪声的顺序为:y形电容→金属外壳→杂散电容→噪声源。

*L和C值的选择方式是在较低频率下的共模电压幅度小于FCC和CISPR标准设置的限制。随着频率的增加，增益衰减，在更高频率的幅度将自动衰减。

无源滤波消除

*反激变换器可以很容易地采用无源CM噪声消除技术。在这种情况下，在主电源变压器/反激变压器上增加一个补偿绕组(Nc)。Nc使用小规格的电线作为电流，意图进入这个绕组只是噪声电流，这将是一个相当便宜的变压器。该绕组可与初级绕组以1:1的匝数比相互缠绕。

*另一个增加的组件是补偿电容器Ccomp。这是用来产生抗噪声电流，将消除寄生噪声电流产生的Cpara(寄生电容)。Ccomp的值由Cpara的大小和匝数比Np:Nc决定。如果这个比例是1:1，那么Ccomp应该设置为Cpara;否则它的大小应该是İcomp = Cpara dV/dt.

04

SaberRD中的电磁干扰分析

SaberRD 的傅里叶计算（FFT）

*要求将电信号转换为频谱，以符合标准的频谱限制。图3中的显示了FFT计算在波形计算器中的位置。

*要进入FFT计算，选择Analyze Tab ➝ Waveform Calculator ➝ Wave button ➝ FFT。这个计算的输出是信号的频谱。在给出所需的波形并从波形计算器中选择FFT计算为如图3所示，会显示一个如图4所示的窗口。

*该工具允许选择要显示/计算的点数。时间开始和时间停止选项有助于选择波形的部分，该部分处于稳定状态，并具有运行FFT计算所需的详细信息。除了选择窗口功能，该工具还可以计算THD/SNR/SINAD值。关于FFT计算的详细信息在SaberRD文档中提供。

*提供必要的值，并选择对信号执行FFT所需的选项。单击此窗口上的确定，并单击波形计算器上的波形按钮。这显示了FFT波形，这是幅值和相位图。

*在共模噪声测量的情况下，采集来自LISN的波形并测量共模电压。通过FFT计算得到稳态下该电压的频谱，并将所得波形与图2所示的标准进行比较。

*将共模电压信号接收到波形计算器，以获得显示与标准限制比较的最终输出的过程可以使用名为AIM的脚本语言自动化。AIM脚本语言允许用户创建定制的工作流/接口，以便利用SaberRD的高级特性来执行公共功能。在本例中，可以使用一个脚本，执行该脚本时，可以清楚地显示与FCC和CISPR标准限制相比的共模电压频谱。关于如何使用AIM脚本语言的细节在SaberRD文档中给出。

SaberRD仿真分析

*对反激变换器进行了瞬态仿真分析，得到了逆变器的时域特性。选择结束时间以达到稳态。如前所述，FFT是在共模电压波形上执行的。通过暂态分析得到了共模电压波形。
*在本设计示例中测试了四个条件:

1)无滤波瞬态分析。

2)带补偿滤波器的瞬态分析。

3)CM扼流圈和Y电容器的瞬态分析。

4)两种滤波器的瞬态分析。

*为了使模拟过程自动化，创建了一个实验来运行所有四种条件。实验为transient_analysis_for_fft.ai_expt。一旦分析完成，plot文件就会生成并保存在工作目录中。为了自动分析FFT的波形并与FCC和CISPR标准进行比较，可以使用AIM脚本(fft_proc.aim)。运行AIM脚本，创建了四张图，其中有与FCC和CISPR标准限制相比的共模噪声图。图被绘制以显示在设计中实现的每种滤波技术的共模电压波形的振幅。

SaberRD仿真设置

1)打开设计Flyback_emi。Ai_dsn从附件的设计文件。

2)去模拟标签。 在Analysis中选择“Experiment”，在实验列表中选择transient_analysis_for_fft

3)点击GO按钮。

4)实验进度100%时，结果窗格显示实验报告，实验报告中有共模噪声电压的测量值。

5)双击实验报告，打开如图6所示的表格。

6)进入“SaberRD Command Transcript”，在命令行中输入以下命令，按“Enter”

7)AIM脚本运行，打开图7、图8、图9、图10和图11所示的五个图形。

结果与分析

*对测量共模噪声的设计进行了瞬态仿真。
*LISN的输出经过CM和DM测量电路，得到电路中共模和差模噪声电压波形。在运行FFT计算以获得噪声幅值相对于频率的准确值之前，实验中包括一个峰对峰值的测量，以显示在瞬态仿真的每种情况下，普通模式噪声电压幅值的变化。实验报告记录了实验中所做的测量。
*双击Experiment Report显示的表格如图6所示。

*可以观察到，每一种滤波技术的插入，共模噪声电压幅值都在减小。现在，下一步是分析共模电压噪声水平与频率的关系。

利用FFT计算噪声测量的EMI分析

*运行一个AIM脚本：包含从所有四个瞬态分析中检索共模电压(cm_uv)波形，对它们运行FFT计算，并显示每个瞬态模拟的频谱。除此之外，每个图表还包含FCC和CISPR极限波形，以显示参考极限的噪声水平的比较。
*在图7中，绘制了测量的共模电压波形。可以看出，引入滤波器后峰值值在减小。数值与图6所示的实验报告一致。

*从图8中可以看出，噪声水平超出了FCC和CISPR标准所定义的限制，要求提供必要的过滤。

*从图9可以看出，噪声水平有所降低，噪声水平略高于FCC和CISPR标准的限值。

*图10所示，共模扼流圈和Y电容滤波器被设计用来在较低频率上抑制超过限制的噪声信号，工作良好。更高频率的增益在40dB/dec后下降，因此更高频率的噪声信号被衰减到远低于限值的水平。在截止频率之前，噪音水平略低于FCC和CISPR的限制。最好留有一定的余量，使其他寄生元件可能引起噪声水平升高。

*最后，图11显示，与FCC和CISPR标准的限制相比，共模噪声有更大的裕度。这是最佳的选择，过滤器是优化设计，并使设计/设备通过一个舒适的边际。

06

总结

SaberEMI分析的优势

本设计实例详细说明了使用反激变换器拓扑对功率变换器进行电磁干扰分析的过程。据了解，未经过滤的设计未通过A类设备类FCC和CISPR标准。这两种单独的滤波技术显示出噪声水平的降低，但当两种滤波技术都被使用时，噪声测试通过了舒适的裕度。

Saber可用于在设计阶段对传导发射进行EMI分析。FFT计算可以很容易地配置，以获得所需的噪声波形。自动化分析程序有助于减少重复执行绘图、应用测量和调整轴设置等任务所需的时间。设计测试，以满足FCC和CISPR标准和必要的设计变更也进行了测试。

遵守EMI标准是强制性的，Saber演示了一种简单而有效的方法，通过模拟来测试这种要求的设计。