如何使用LTspice進(jìn)行EMC仿真獲得最佳結(jié)果

作者：Richard AnslowandSylvain Le Bras

隨著物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備和5G連接等技術(shù)創(chuàng)新成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，調(diào)節(jié)這些設(shè)備的電磁輻射并量化其對(duì)EMI的抗擾度的需求也隨之增加。滿足 EMC 法規(guī)遵從性目標(biāo)通常是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。本文提供開(kāi)源LTspice仿真電路來(lái)回答關(guān)鍵問(wèn)題：（a）我的系統(tǒng)是否通過(guò)EMC測(cè)試，還是需要添加緩解技術(shù)？以及（b）我的設(shè)計(jì)對(duì)外部環(huán)境噪音的免疫力如何？

為什么我應(yīng)該使用LTspice進(jìn)行EMC仿真？

EMC 設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能嚴(yán)格地遵循產(chǎn)品發(fā)布時(shí)間表，但事實(shí)往往并非如此，因?yàn)?EMC 問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試可能會(huì)將產(chǎn)品發(fā)布延遲數(shù)月。

通常，仿真?zhèn)戎赜?a target="_blank">電子設(shè)備的功能方面;但是，LTspice等簡(jiǎn)單開(kāi)源工具也可用于模擬任何器件的EMC行為。由于我們中的許多人在家工作，而EMC實(shí)驗(yàn)室成本很高（每天高達(dá)2000美元），因此精確的EMC仿真工具更加有用?；◣讉€(gè)小時(shí)模擬EMC故障和電路修復(fù)有助于避免多次實(shí)驗(yàn)室測(cè)試迭代和昂貴的硬件重新設(shè)計(jì)。

為了有用，EMC仿真工具需要盡可能準(zhǔn)確。本系列文章提供了一些指南和LTspice EMC電路模型，這些模型經(jīng)過(guò)仿真并與實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測(cè)量完美匹配。

本文是三篇系列文章的第1部分，為以MEMS振動(dòng)傳感器為核心的示例傳感器信號(hào)鏈提供EMC仿真模型。然而，許多組件和EMC仿真技術(shù)并非MEMS解決方案所獨(dú)有，可用于廣泛的應(yīng)用。

第1部分：電源組件和傳導(dǎo)輻射和抗擾度。

第 2 部分：電纜驅(qū)動(dòng)收發(fā)器鏈路上的信號(hào)完整性和瞬態(tài)魯棒性。

第3部分：信號(hào)調(diào)理組件和增強(qiáng)對(duì)外部噪聲的抗擾度。

使用LTspice解決輻射和抗擾度問(wèn)題

閱讀本文后，您應(yīng)該能夠回答以下關(guān)鍵問(wèn)題：

a） 我的系統(tǒng)是否可能通過(guò)EMC測(cè)試？我是否應(yīng)該為共模電感器、濾波電感器或電容器保留額外的占位面積？閱讀本文后，您應(yīng)該能夠使用LTspice繪制降壓轉(zhuǎn)換器電源設(shè)計(jì)中的差分和共模噪聲，并顯示電路如何通過(guò)或失敗傳導(dǎo)輻射標(biāo)準(zhǔn)限值，如圖1所示。

圖1.差分和共模噪聲的LTspice圖，帶傳導(dǎo)輻射限制線。

（b） 是否需要線性穩(wěn)壓器為我的敏感負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓？閱讀本文后，您應(yīng)該能夠使用LTspice來(lái)了解降壓轉(zhuǎn)換器的輸出是否需要LDO穩(wěn)壓器，具體取決于設(shè)計(jì)中可容忍的降壓輸出紋波電壓電平。此外，本文還提供可配置的電源抗噪性（PSRR）測(cè)試電路。

用于傳感器的降壓轉(zhuǎn)換器

MEMS振動(dòng)傳感器通常安裝在小型金屬外殼中，直徑通常為20 mm至30 mm，高度為50 mm至60 mm。帶數(shù)字信號(hào)鏈的傳感器通常提供 9 V 電壓直流至 30 V直流在長(zhǎng)電纜上，功耗低于 300 mW。需要微型電源解決方案才能安裝在這個(gè)小型外殼內(nèi)，具有高效率和寬輸入范圍。

LT8618、LT8618-3.3 和LT8604是緊湊型、高速降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，非常適合 MEMS 傳感器應(yīng)用。LTspice 型號(hào)已可用于 LT8618 和 LT8618-3.3。LT8618的穩(wěn)壓提供非常低的輸出紋波，峰峰值小于10 mV。然而，輸出電容組的寄生電阻和電感會(huì)增加這種紋波，導(dǎo)致降壓電路產(chǎn)生不必要的傳導(dǎo)輻射。由于容性負(fù)載、降壓穩(wěn)壓器輸出開(kāi)關(guān)寄生效應(yīng)以及PCB設(shè)計(jì)和傳感器外殼之間的耦合電容，可能會(huì)產(chǎn)生寄生效應(yīng)。

提取和使用寄生值

接下來(lái)的部分將介紹工程師如何使用伍爾特REDEXPERT從真實(shí)電容器中提取ESL和ESR寄生值，并使用LTspice仿真電路。在許多系統(tǒng)的輸入和輸出端，電容和電感寄生效應(yīng)對(duì)EMI性能起著重要作用。分離各個(gè)寄生貢獻(xiàn)有助于用戶在降低系統(tǒng)輸出紋波方面做出最佳選擇。

降壓轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)輻射仿真與LTspice和伍爾特REDEXPERT工藝流程進(jìn)行了討論，如圖2所示。通常對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，輸出紋波與信噪比（SNR）相關(guān)，而輸入紋波與EMC性能密切相關(guān)。

圖2.使用LTspice模擬傳導(dǎo)發(fā)射的工藝流程。

概述圖2仿真方法后，本文將提供使用DC2822ALT8618演示板進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和仿真關(guān)聯(lián)。

LTspice測(cè)試電路與伍爾特REDEXPERT數(shù)據(jù)

降壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓是電容阻抗和電感電流的函數(shù)。為了獲得更好的仿真精度，伍爾特REDEXPERT可用于選擇4.7 μF輸出電容（885012208040），并提取頻率范圍內(nèi)的ESR和ESL。ESL和ESR有時(shí)會(huì)加載到LTspice電容器模型中，但快速檢查將證明ESL在LTspice電容器數(shù)據(jù)中經(jīng)常被省略。圖3a和3b顯示了兩個(gè)等效電路：（a）使用4.7 μF輸出電容以及分立ESL和ESR值，以及（b）使用伍爾特電容，包括ESR和ESL參數(shù)。

圖3.LTspice測(cè)試電路，（a）使用4.7 μF輸出電容以及分立ESL和ESR值，（b）使用伍爾特電容，包括ESR和ESL參數(shù)。

REDEXPERT顯示許多元件的頻率阻抗，從而能夠確定每個(gè)無(wú)源器件的關(guān)鍵寄生效應(yīng)。這些寄生值稍后可以在LTspice模型中實(shí)現(xiàn)，從而能夠單獨(dú)評(píng)估對(duì)總電壓紋波的貢獻(xiàn)。

如前所述，LT8618提供非常低的輸出紋波，峰峰值小于10 mV。但是，在仿真容性負(fù)載和ESL的影響時(shí)，輸出紋波電壓為44 mV p-p。電容ESL對(duì)頻率范圍內(nèi)的噪聲有顯著影響，如圖4 FFT圖所示。

圖4.FFT圖顯示了由于4.7 μF電容的純電容、ESL和ESR而對(duì)頻譜的個(gè)別貢獻(xiàn)。

使用LTspice LISN電路評(píng)估降壓輸入端的EMI一致性

為了評(píng)估傳導(dǎo)設(shè)置中的EMC合規(guī)性，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)依賴于線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）或人工電源網(wǎng)絡(luò)（AMN）。這些器件具有類似的功能，放置在電路電源和被測(cè)器件（DUT）之間，此處為降壓轉(zhuǎn)換器。LISN/AMN由低通和高通濾波器組成。低通濾波器為低頻功率（直流至幾百Hz）提供到DUT的路徑。高通濾波器用于測(cè)量電源和返回電源線路噪聲。這些電壓通過(guò)50 Ω電阻測(cè)量，如圖5和圖6所示。1在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中，該電壓是使用EMI接收器測(cè)量的。LTspice可用于探測(cè)噪聲電壓，并在傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試頻譜上繪制圖。

圖5.LISN 放置在電源和被測(cè)設(shè)備 （DUT） 之間。

圖6.LISN內(nèi)共模和差模干擾的表示。1

傳導(dǎo)輻射可分為共模（CM）噪聲和差模（DM）噪聲。區(qū)分CM和DM噪聲非常重要，因?yàn)镋MI抑制技術(shù)可能對(duì)CM有效，但對(duì)DM噪聲無(wú)效，反之亦然。由于V1和V2電壓同時(shí)輸出，因此在傳導(dǎo)輻射測(cè)試中可以使用LISN分離CM和DM噪聲，如圖6所示。1

DM噪聲在電源線和返回線之間產(chǎn)生，而CM噪聲通過(guò)雜散電容C在電源線和接地參考層（如銅測(cè)試臺(tái)）之間產(chǎn)生流浪.C流浪實(shí)際上，對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器輸出端的開(kāi)關(guān)噪聲寄生效應(yīng)進(jìn)行建模。

圖6對(duì)應(yīng)的LTspice LISN電路如圖7所示。為了獲得更高的仿真精度，L5 和 L6 電感器用于模擬 LISN 電源引線到測(cè)試電路的電感。電阻R10模擬測(cè)試板槽接地層的阻抗。圖 7 還包括用于 C 模型的電容器 C10流浪.電容器 C11 模擬傳感器 PCB 和傳感器機(jī)械外殼之間的寄生電容。

圖7.LTspice LISN 電路、LT8618 降壓轉(zhuǎn)換器和寄生建模。

運(yùn)行仿真時(shí)，應(yīng)設(shè)置LTspice以幫助LISN電路更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因?yàn)殄e(cuò)誤的啟動(dòng)條件選擇會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間振蕩。

確保取消選中從零開(kāi)始外部直流電源電壓，并根據(jù)需要指定電路元件的初始條件（電壓和電流）。

圖8顯示了使用從LISN端子V1和V2測(cè)量的LTspice FTT圖的CM和DM噪聲。為了重現(xiàn)圖6所示的算術(shù)運(yùn)算，將DM噪聲的V1和V2減去并乘以0.5，然后將V1添加到V2中，結(jié)果乘以0.5的CM噪聲。

圖8.DM噪聲（黑色）和CM噪聲（藍(lán)色）的LTspice FFT圖。

實(shí)驗(yàn)室中傳導(dǎo)發(fā)射通常以dBμV為單位，而默認(rèn)的LTspice單元為1 dbV。兩者之間的關(guān)系為1 dbV = 120 dBμV。

因此，以dBμV為單位的DM噪聲的LTspice表達(dá)式為

CM 噪聲的表達(dá)式為

添加傳導(dǎo)輻射限制線

LTspice FFT波形查看參數(shù)可以使用繪圖設(shè)置文件進(jìn)行編輯。使用 LTspice FFT 菜單，導(dǎo)航到“保存繪圖設(shè)置”并點(diǎn)擊“保存”?？梢允褂梦谋揪庉嬈鞔蜷_(kāi)繪圖設(shè)置文件，并進(jìn)行操作以添加EN 55022傳導(dǎo)發(fā)射限制線以及相關(guān)的EMC頻率范圍（10 kHz至30 MHz）和幅度（0 dBμV至120 dBμV）。

可以使用Excel操作EN 55022傳導(dǎo)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)頻率和幅度限值，以提供正確的語(yǔ)法以復(fù)制并粘貼到LTspice繪圖設(shè)置文件中，如圖9所示。線定義可以粘貼到繪圖設(shè)置參數(shù)中，如圖 10 所示。圖10還顯示了X頻率和Y幅度參數(shù)。

圖9.生成正確的語(yǔ)法以復(fù)制并粘貼到 LTspice 繪圖設(shè)置文件中。

圖 10.添加傳導(dǎo)發(fā)射通過(guò)/失敗線定義和頻率/幅度尺度。

圖11顯示了傳導(dǎo)輻射限值線，以及降壓電路的DM和CM傳導(dǎo)輻射。該電路在2.3 MHz至30 MHz頻段的輻射測(cè)試中失敗。

圖 11.LTspice FFT 圖和 EN 55022 傳導(dǎo)輻射限制線。

修復(fù)降壓轉(zhuǎn)換器 EMI

為了降低電路的DM噪聲，可以在輸入軌上放置一個(gè)非常低的ESL和ESR電容，例如C12 22 μF伍爾特885012209006，如圖12所示。

圖 12.修復(fù)降壓轉(zhuǎn)換器的排放。

為了降低共模噪聲，可以從LTspice庫(kù)中選擇伍爾特共模扼流圈，例如250 μH 744235251（WE-CNSW系列）。4.5 mm × 3.2 mm × 2.8 mm 的封裝尺寸非常適合空間受限的 MEMS 傳感器外殼。圖13顯示了固定降壓的FFT圖。

圖 13.固定降壓轉(zhuǎn)換器的FFT圖。

使用 DC2822A LT8618 演示板進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和仿真關(guān)聯(lián)

本文為使用LTspice進(jìn)行傳導(dǎo)輻射仿真提供了指導(dǎo)。這些方法可用于任何降壓轉(zhuǎn)換器電路。現(xiàn)在，我們將注意力轉(zhuǎn)向使用DC2822A LT8618演示板的仿真和EMC實(shí)驗(yàn)室關(guān)聯(lián)，如圖14所示。DC2822A演示板包括多個(gè)輸入和輸出電容，這些電容在以前的仿真模型中沒(méi)有（例如，圖7和圖12）。圖15所示的LTspice模型包括這些電容以及使用伍爾特REDEXPERT獲得的電容ESL和ESR值。

圖 14.DC2822A LT8618 演示板。

圖 15.LTspice模型對(duì)應(yīng)于DC2822A演示板V在配置。

DC2822A 演示板包括兩個(gè)電源輸入：VIN 和 VEMI。VIN輸入電源軌繞過(guò)PCB上使用的鐵氧體磁珠。圖15 LTspice模型對(duì)應(yīng)于演示板VIN配置。圖16顯示了LTspice仿真的FFT，共模輻射在2 MHz時(shí)差一點(diǎn)就無(wú)法達(dá)到傳導(dǎo)輻射限值線。

圖 16.對(duì)應(yīng)于DC2822A V的LTspice FFT圖在配置。

為了縮短仿真時(shí)間并優(yōu)化LTspice仿真與DC2822A演示板實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的匹配，與以前的模型相比，對(duì)圖15進(jìn)行了以下更改（圖7和圖12）：

無(wú)需對(duì)外殼和 PCB 之間的 100 pF 電容進(jìn)行建模。我們只是對(duì)DC2822A演示板進(jìn)行建模。

從一開(kāi)始就假設(shè)這種精心設(shè)計(jì)的PCB上的開(kāi)關(guān)噪聲可以忽略不計(jì)。之前，我們?cè)趫D7和圖12中估計(jì)開(kāi)關(guān)噪聲為5 pF。

忽略LISN和DC2822A演示板之間引線的極小電感。

在50 μH LISN電感器上并聯(lián)添加1 kΩ電阻，以減少仿真時(shí)間（縮短LISN建立時(shí)間）。

通過(guò)圖15電路中的這些變化，圖17顯示了LTspice仿真與DC2822A演示板在EMC實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際測(cè)量的比較。LTspice仿真模型以出色的精度預(yù)測(cè)實(shí)際實(shí)驗(yàn)室發(fā)射的主峰值。

圖 17.DC2822A V在配置，LTspice和實(shí)際EMC實(shí)驗(yàn)室輻射的比較。

通過(guò)鐵氧體磁珠（EMI 濾波器）VEMI 軌測(cè)量，DC2822A 演示板可輕松通過(guò) 60 dBμV 的傳導(dǎo)輻射限制線。事實(shí)上，在較低頻率下，DC2822A演示板只有30 dBμV至35 dBμV的輻射。

傳導(dǎo)抗擾度

有線狀態(tài)監(jiān)測(cè)傳感器具有嚴(yán)格的抗噪性要求。對(duì)于鐵路、自動(dòng)化和重工業(yè)（例如紙漿和造紙加工）的CbM，振動(dòng)傳感器解決方案需要輸出小于1 mV的噪聲，以避免在數(shù)據(jù)采集/控制器處觸發(fā)錯(cuò)誤的振動(dòng)水平。這意味著電源設(shè)計(jì)需要向測(cè)量電路（MEMS信號(hào)鏈）輸出非常小的噪聲（低輸出紋波）。電源設(shè)計(jì)還必須不受耦合到電源電纜的噪聲（高PSRR）的影響。

如前所述，由于非理想的容性負(fù)載和突發(fā)操作，LT8618 可能具有數(shù)十毫伏的輸出紋波。對(duì)于 MEMS 傳感器應(yīng)用，LT8618 需要在其輸出端使用一個(gè)超低噪聲和高 PSRR LDO 穩(wěn)壓器，例如LT3042。

用于抗噪性 （PSRR） 的靈活仿真電路

圖18所示的LTspice電路可用于仿真LT3042的PSRR。圖18所示的時(shí)域瞬態(tài)模型是交流掃描方法的替代方法。這種時(shí)域模型比交流方法更靈活，甚至允許用戶仿真開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR。仿真電路頻率掃描電壓輸入軌的變化，并模擬輸出電壓的相應(yīng)變化。換句話說(shuō)，仿真評(píng)估方程：PSRRLT3042= （V 的變化在）/（VO 中的更改.!UT） 過(guò)頻。

圖 18.仿真LT3042 LDO穩(wěn)壓器的PSRR，頻率范圍為10 kHz至80 MHz。

圖 18 包含幾個(gè)強(qiáng)有力的語(yǔ)句。.meas和.step語(yǔ)句的組合使用戶能夠在LDO輸入端添加電壓噪聲源，并測(cè)量電壓輸入隨頻率的階梯變化的LDO PSRR。

.meas 聲明

這允許用戶測(cè)量信號(hào)在一定時(shí)間范圍內(nèi)的峰峰值，并將其輸出到SPICE錯(cuò)誤日志。圖18測(cè)量輸入和輸出紋波，并計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的PSRR。所有這些都輸出到 SPICE 錯(cuò)誤日志中。

.step 語(yǔ)句

.step 命令可用于在單次模擬運(yùn)行中跨一系列值掃描變量。圖18中的.step語(yǔ)句在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)對(duì)V2電壓源正弦波進(jìn)行步進(jìn)。

C2輸出電容初始電壓可設(shè)置為3.3 V，以加快建立（和仿真）時(shí)間。這是通過(guò)編輯電容屬性來(lái)完成的，通過(guò)禁用LTspice中的0V啟動(dòng)外部直流電源電壓選項(xiàng)，可以更快地完成。

使用 SPICE 錯(cuò)誤日志

模擬完成后，右鍵單擊其中一個(gè)窗口，選擇視圖并選擇 SPICE 錯(cuò)誤日志（或使用 Ctrl+L 熱鍵）。SPICE 錯(cuò)誤日志包含 .meas 語(yǔ)句的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

要繪制 .meas 數(shù)據(jù)，請(qǐng)右鍵單擊錯(cuò)誤日志并選擇打印步驟的 .meas 數(shù)據(jù)，右鍵單擊空白屏幕以選擇“添加跟蹤”（或使用 Ctrl+A），然后選擇 PSRR。右鍵單擊 x 軸并選中單選按鈕以對(duì)數(shù)刻度顯示。這將顯示PSRR隨頻率的變化，如圖19所示。

圖 19.繪制LT3042 LDO穩(wěn)壓器的仿真PSRR。

原始LT3042數(shù)據(jù)手冊(cè)曲線中的一些偽影不可見(jiàn)（約2 MHz），但全局形狀和值接近數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖20顯示了輸出電壓紋波隨頻率的變化。在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)，這小于200 μV。在相同頻率范圍內(nèi)，輸入電壓紋波為1 V p-p。LT3042 為噪聲敏感型 MEMS 解決方案提供了一個(gè)卓越的 PSRR 和低噪聲電源。

圖 20.繪制LT3042仿真輸出電壓紋波隨頻率變化的曲線圖。

使用SPICE錯(cuò)誤日志的.meas方法可用于模擬許多其他參數(shù)，包括：

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR

PSRR 與壓差的關(guān)系 與頻率的關(guān)系

PSRR 與旁路網(wǎng)絡(luò)

RMS 輸出紋波與直流輸入的關(guān)系

效率與組件價(jià)值

總結(jié)

本文提供LTspice仿真電路和方法，用于繪制降壓轉(zhuǎn)換器電源設(shè)計(jì)中的差分和共模噪聲。本文使用戶能夠繪制傳導(dǎo)輻射限制線，并有助于預(yù)測(cè)EMC實(shí)驗(yàn)室故障。仿真方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證，并與LT8618 DC2822A演示板密切相關(guān)。

在 LT8618 降壓型轉(zhuǎn)換器的輸出端使用 LT3042 LDO 穩(wěn)壓器可為 MEMS 傳感器應(yīng)用提供一種超低噪聲、高 PSRR 解決方案。一個(gè)用于PSRR的靈活仿真電路與LT3042數(shù)據(jù)手冊(cè)非常吻合。LT3042在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)以小于200 μV的輸出紋波進(jìn)行仿真，即使在存在1 V p-p大輸入電壓噪聲的情況下也是如此。

審核編輯：郭婷