信號上升沿對EMI的影響

案例摘自鄭軍奇專著《EMC設(shè)計與測試案例分析》第三版

問題描述：

某汽車零部件產(chǎn)品是電機驅(qū)動器，在進行傳導騷擾測試時，發(fā)現(xiàn)沒有通過，下圖是該電機驅(qū)動器的傳導騷擾測試結(jié)果：

圖1 某電機驅(qū)動器的傳導騷擾測試結(jié)果

在驅(qū)動的功率管的DS級之間并聯(lián)電容后，測試通過。增加電容后的變頻電機驅(qū)動器的傳導騷擾測試結(jié)果如下圖2所示：

圖2 增加電容后的電機驅(qū)動器的傳導騷擾測試結(jié)果

原因分析：

圖3是驅(qū)動器產(chǎn)生EMI問題的原理圖。圖3中驅(qū)動器的驅(qū)動信號線與參考接地板之間存在寄生電容，該寄生電容與參考接地板、LISN、電源線、變頻器本身電路組合成一條共?；芈?，當驅(qū)動器的信號電流流過LISN時，即產(chǎn)生傳導騷擾。

圖 3 變頻驅(qū)動器產(chǎn)生EMI問題的原理圖

驅(qū)動器的輸出信號假設(shè)為矩形波，根據(jù)傅里葉變換，矩形波由無限多個正弦波疊加而成，這些正弦波即為矩形波的基波即各次的諧波分量。根據(jù)傅里葉變換理論，矩形波的低次諧波分量的幅度隨著諧波次數(shù)的變高呈線性衰減，高次諧波分量的幅度隨諧波次數(shù)的變高呈平方衰減。諧波分量的幅度為線性衰減與平方衰減的轉(zhuǎn)折點為1/ΠTr，如上升沿時間10ns，對應的轉(zhuǎn)折點約30MHz。案例中，當功率管的D、S兩極間并聯(lián)電容后，對于功率管輸出的信號電壓波形，實質(zhì)上改變的主要是信號電壓波形的上升沿時間，即上升沿時間變長。

而上升沿時間變長后（案例中原上升沿時間為10ns，并聯(lián)電容后下降為50ns），諧波分量的幅度為線性衰減與平方衰減的轉(zhuǎn)折點為1/ΠTr的值變小（即從原來的30MHz下降為6MHz），矩形波的諧波分量的幅度隨著諧波次數(shù)或頻率更早的進入平方衰減區(qū)域，使得高次諧波的幅度變小。高次諧波的幅度變小后，按原理圖所示相應的共模電流也變小，傳導騷擾也變低。

思考與啟示：

上升沿時間與信號的高次諧波的幅度有非常大的關(guān)系，而低次諧波的幅度與上升沿時間無關(guān)，當產(chǎn)品周期性工作信號的高次諧波頻點EMI超標時，降低產(chǎn)品周期性工作信號源的上升沿時間是非常有效的措施；

功率電路中，D、S兩極間并聯(lián)電容或在G極上串聯(lián)電阻、磁阻都可增大功率管輸出信號的上升沿時間，D、S兩極間并聯(lián)的電容值大小與高次諧波幅度的降低無直接的關(guān)系，應該考慮電容值大小與上升沿時間的關(guān)系；

時鐘線上并聯(lián)電容，也可增大時鐘信號線電壓波形的上升沿時間，減小時鐘信號高次諧波的幅度，降低時鐘信號產(chǎn)生的EMI水平。







審核編輯：劉清