其實(shí)各種現(xiàn)象背后都有科學(xué)規(guī)則。EMI問(wèn)題雖然讓人云山霧罩，但只要我們道行夠深，就可以通過(guò)科學(xué)分析還原出它本來(lái)的面目。

在2018年8月14日，由美國(guó)芯源系統(tǒng)有限公司（MPS）主辦的“電源EMI分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研討會(huì)”上，三位專家分別分享了他們對(duì)EMI問(wèn)題的見(jiàn)解。

這次我們有幸邀請(qǐng)了EMI學(xué)術(shù)界的大?！獊?lái)自美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的王碩教授。王碩教授在EMI的研究上有極高的造詣，發(fā)表了無(wú)數(shù)IEEE論文，本次他給大家?guī)?lái)了一場(chǎng)以“現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中的EMI分析和設(shè)計(jì)”為主題的精彩演講，針對(duì)工程師普遍困擾的電磁干擾問(wèn)題，王碩教授從EMI問(wèn)題產(chǎn)生的源頭出發(fā)，結(jié)合深入淺出的變壓器數(shù)學(xué)模型，多方闡述有關(guān)EMI噪聲抑制的方案，并分享出新穎實(shí)用的EMI測(cè)試方法，為燒腦于電磁輻射的攻城獅們傳道授業(yè)解惑。

圖注：王碩教授在進(jìn)行演講

01攻克目標(biāo)1：暗中攪局的的變壓器寄生電容

我們知道，EMI由差模+共模構(gòu)成。差模噪聲回蕩于L-N線；共模噪聲則游走于寄生電容到地之間。在反激變換器中，共模較之差模更兇險(xiǎn)。變壓器原副邊之間分布著許多寄生電容，原邊MOS管漏極對(duì)地同樣存在寄生電容，兩者共同作用，為共模電流獨(dú)辟蹊徑。由于反激變換器定位的功率較小，與之匹配的MOS的寄生電容作用相對(duì)削弱，由此變壓器寄生電容對(duì)共模噪聲的影響便更為突出。

攻克目標(biāo)2：Y電容的前世今生

Y電容的作用即是把通過(guò)變壓器寄生電容流入副邊的共模電流旁路回原邊，以阻止該共模電流流經(jīng)對(duì)地阻抗后回歸至交流側(cè)，從而達(dá)到減小EMI的目的。然而Y電容亦是一把雙刃劍，一旦其發(fā)生失效，交流側(cè)的電流則會(huì)漏入副邊，存在極大的安全隱患。為保證設(shè)計(jì)可靠，通常會(huì)串聯(lián)兩只Y電容作冗余，而這與當(dāng)前業(yè)界不斷追求產(chǎn)品小型化的趨勢(shì)又相斥。

如何減少抑制共模噪聲的濾波器，如何在Y電容缺席的前提下保證EMI順利通關(guān)，成敗皆在變壓器。就讓我們細(xì)細(xì)品讀王碩教授潛心研究的反激變壓器設(shè)計(jì)之道。

02任何科學(xué)的研究離不開(kāi)數(shù)學(xué)建模的支持，王碩教授及其團(tuán)隊(duì)將復(fù)雜的反激變壓器共模模型簡(jiǎn)化為兩個(gè)電容模型的架構(gòu)，以便分析EMI共模噪聲的抑制。由于原副邊地之間存在等效阻抗，一旦原副邊地之間的壓差VGND0建立，便形成了共模電流，目標(biāo)很明確：如果能將VGND0降至最低，即可有效抑制共模噪音。如下圖，假設(shè)原邊繞組的端口AB之間施加一電壓VAB，故VGND0的大小則取決于等效電容CBD的容值。目標(biāo)進(jìn)一步明確：CBD容值越小，共模噪音越低。

CBD由哪些因子組成呢？變壓器各繞組端口之間均存在寄生電容，排列組合后會(huì)形成繁瑣龐大的數(shù)學(xué)模型（如下圖），而對(duì)于應(yīng)用端的工程師而言，只需了解最終影響CBD的關(guān)鍵參數(shù)即可。在這個(gè)公式中，我們可以看到三項(xiàng)負(fù)數(shù)因子，其分別對(duì)應(yīng)圖中紅框所示的電容，稱之為平衡電容，通過(guò)增減這些容值，使其正負(fù)抵消，最終獲得CBD=0。

這里穿插一個(gè)Tips：如何在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證變壓器的性能？

根據(jù)上述分析可知，任何反激變換器的多繞組變壓器可以等效為一個(gè)CBD+CAD的電容模型，我們知道想要降低共模噪聲，CBD越小效果越佳。如何利用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器就能檢驗(yàn)變壓器性能的優(yōu)劣呢？王碩教授在此支招：

將信號(hào)發(fā)生器施加電壓至AB端，用示波器分別測(cè)得AB之間的電壓與原副邊兩地之間的電壓，兩者相比后，比值越小，說(shuō)明該變壓器的CBD越小，共模噪聲則越低。

03在實(shí)際電路中，除了變壓器各繞組之間寄生電容引發(fā)的噪聲以外，還有一只潛伏的寄生電容大軍遍布各處，即變壓器的磁芯與繞組之間，磁芯與各功率管的散熱器之間，氣隙導(dǎo)致線圈與散熱器之間，均存在寄生電容，即便能將CBD降為0，而這些寄生電容誘發(fā)的噪聲耦合，同樣會(huì)影響EMI測(cè)試的結(jié)果?；诖?，王碩教授進(jìn)一步提出：

解決變壓器外部寄生電容的共模噪聲的方法： 磁芯接地：可以將原邊至磁芯的共模噪聲旁路回原邊。 銅箔包裹磁芯后接地：可以屏蔽繞組與功率管散熱器之間的耦合路徑，將共模噪聲旁路回原邊，一舉斬獲所有原邊至副邊的耦合噪聲。 副邊繞組居中繞制：將原邊繞組或輔助繞組分別靠近磁芯中柱與兩側(cè)繞制，副邊繞組居中，使得其遠(yuǎn)離磁芯，從而降低副邊與磁芯的耦合。

中場(chǎng)總結(jié)

降低反激變換器共模噪聲的有效途徑：施加平衡電容+磁芯屏蔽。各個(gè)擊破，將干擾降至最低，用科學(xué)的手段省去耗成本耗體積的共模濾波器。

04解決了開(kāi)篇提出的問(wèn)題一，對(duì)于Y電容如何規(guī)避呢？細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)問(wèn)：平衡電容需要跨接于原副邊繞組之間，這和Y電容的性質(zhì)是相似的。如何才能完全將Y電容取締呢？同樣從變壓器出發(fā)，王碩教授巧妙提出：

在靠近副邊繞組的動(dòng)點(diǎn)處增加一層輔助繞組，該繞組一端接原邊地，一端懸空，繞組的匝數(shù)對(duì)等于Y電容的容值，從而起到將副邊共模噪聲旁路回原邊的目的。

05介紹了反激變壓器EMI的優(yōu)化設(shè)計(jì)之余，王碩教授還與工程師們分享了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中共模噪聲的抑制方法，同樣通過(guò)數(shù)學(xué)建模，基于低損耗小尺寸的正饋電流注入有源濾波器，混合不同的無(wú)源濾波器，闡述EMI測(cè)試的結(jié)果。

同時(shí)，MPS市場(chǎng)技術(shù)及應(yīng)用工程師經(jīng)理——羅鉦，介紹了MPS芯片在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的幾個(gè)技巧來(lái)消除EMI：

封裝上通過(guò)MESH CONNECT的技術(shù)減小寄生電感來(lái)降噪；

輸入電容采用對(duì)稱性布置從而設(shè)計(jì)出相反的磁場(chǎng)來(lái)抵消總磁場(chǎng)；

還有把對(duì)噪聲影響很大的輸入電容集成于芯片內(nèi)部的技術(shù)。

圖注：羅鉦經(jīng)理在進(jìn)行演講

羅鉦還重點(diǎn)介紹MPS全新組建的EMC實(shí)驗(yàn)室及EMC顧問(wèn)專家團(tuán)隊(duì)。為了更深入的分析EMC問(wèn)題，MPS在杭州，美國(guó)和歐洲都建立了自己的EMC實(shí)驗(yàn)室。

圖注：MPS 杭州EMC實(shí)驗(yàn)室

精彩迭起，本次研討會(huì)還特別開(kāi)辟汽車電子專欄，MPS公司汽車電子部現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理——謝建宇，基于汽車電子EMI測(cè)試的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)例與大家分享汽車電子產(chǎn)品中的電源EMI設(shè)計(jì)精華，并重點(diǎn)講解了差模和共模濾波器的設(shè)計(jì)技巧。

圖注：謝建宇經(jīng)理在進(jìn)行演講