研究干貨分享：基于Ansys Circuit軟件的信號EMC分析

1、EMC的性質

EMC（Electromagnetic Compatibility），電磁兼容性，他的定義為，即不對其它設備產(chǎn)生電磁干擾，并且受到來自其它設備的電磁干擾時，系統(tǒng)運行不受影響，仍保持原有的性能。EMI（Electromagnetic Interference），電磁干擾，由于IC工作產(chǎn)生噪聲EMI，給周邊IC和系統(tǒng)帶來干擾或者干擾性的電磁波，所以需要設計不產(chǎn)生EMI的電路。

EMS（Electromagnetic Susceptibility），電磁干擾敏感度或電磁敏感性，他的定義為，即使受到EMI影響也不會造成干擾的能力與耐受性，需要設計能承受EMI的可靠性電路。測試領域里面EMI分為兩種，傳導噪聲（Conducted Emission）和輻射噪聲（Radiated Emission）。

傳導噪聲是指經(jīng)由線體或PCB板布線傳導的噪聲，輻射噪聲是指排放（輻射）到環(huán)境中的噪聲。對于這些噪聲，EMS中分別都有耐受性要求，稱為傳導抵抗力（Conducted immunity）和輻射抵抗力（Radiated immunity）它們的關系如下：

2、輻射機制與頻譜

2.1輻射原理

通電導體在直流時僅產(chǎn)生磁通量，而在直流時候會產(chǎn)生磁場和電場，輻射時候由于楞次和安培定律，磁場在導體周圍比較強，電場在遠處比較強。這是由于輻射的電生磁，磁生電，在自由空間進行交替?zhèn)鞑ザ鴮е碌?，變化的di/dt,dv/dt都可以看作是干擾源，干擾路徑需要考慮共模耦合，容性耦合，感性耦合和磁回路耦合，感性耦合也可以看作磁回路耦合，只是這兒的磁回路耦合路徑是可以看見的，感性耦合可以看作看見的回路和看不見的回路。輻射干擾源可歸納為（磁偶極子）輻射和（電偶極子）輻射。如果根據(jù)場區(qū)遠近劃分，（近區(qū)場）主要是干擾源的感應場，而（遠區(qū)場）呈現(xiàn)出輻射場特性，通常以通常以1/6波長作為近場和遠場的臨界點：

處在直流狀態(tài)的電信號，f=1/T，T足夠長，可以理解其基頻信號頻率為0，那么它的各種奇次偶次諧波也是0，即沒有高頻信號，只會產(chǎn)生磁通。而處在交流狀態(tài)的電信號，會產(chǎn)生不斷變化的磁場，不斷變化的磁場又會產(chǎn)生不斷變化的電場，循環(huán)這一過程，引入位移電流的概念，就是輻射的核心機理。

在系統(tǒng)的信號傳輸中，IC與IC之間的信號在高速調制信號的發(fā)射與接收過程中，形成依賴于位移電流的電磁干擾，是實際項目中比較令人頭疼的問題,通過分解信號的成分，在時域和頻域上形成觀測，以檢測信號時否收到干擾，是研究信號的基礎，由傅里葉變換的基礎理論我們知道，信號速率越高，碼元成分越復雜，頻率與幅度信息與組合種類也越多，在一個碼原信號的上升、下降過程，上升與下降的時間Ts直接決定了碼元信息的能量密度，也就是上升、下降沿的直線斜率衡量了信息的大小與成分，由此可見，傅里葉變換的本質是用一組正弦或余弦波擬合出一個方波，反之亦然。

2.2頻譜與分解

從上圖可以看出，數(shù)字波形是由多種頻率疊加而形成的，示波器和頻譜儀分別從兩個視角獲得一個數(shù)字波形的不同信息，示波器獲得bit信息，頻譜儀獲得頻譜信息或者能量信息。

而基于傅里葉變換的理論上的脈沖波形頻譜，這是一個連續(xù)化頻譜，振幅隨著頻率的升高而衰減，衰減斜率隨著tw和ts而變化。藍色線表示脈沖的ts變慢后的頻譜變化，斜率變?yōu)?40dB/dec 時的1/??ts頻率降低（向左偏移），最終結果是其后的振幅減少，即當ts延遲時頻譜的振幅衰減，頻譜下降。

3、頻譜的影響與共模/差模信號研究

3.1基于circuit的差、共模系統(tǒng)

通過ansys-circuit軟件建立差模電路與共模電路，導入相應模塊的symbol,設計簡單的分析系統(tǒng)，對信號源進行編輯，振幅=10V，頻率=400kHz，Duty=50%，tr/tf=10ns，放置信號源，探針等，完成信號的系統(tǒng)搭建。

對于信號波形的變化，頻譜將以怎樣的趨勢變化，使用實際的頻譜分析儀數(shù)據(jù)來分析頻率等其他參數(shù)變化時的頻譜變化。這里將通過實際的DC-DC的開關相關的頻譜來分析并解決EMC問題時所需要的理論知識。圖A中的圖形是初始條件下的數(shù)據(jù)：振幅=10V，頻率=400kHz，Duty=50%，tr/tf=10ns。中間的圖表示n次諧波和振幅（V）的關系，1倍的頻率＝基波，400kHz的分量最大，以奇數(shù)倍的頻率形成頻譜。僅產(chǎn)生奇次諧波是Duty為50%（＝1：1）的頻譜特征，各分量的大小為基波分量的1/次數(shù)，例如3次諧波分量為1/3，n次諧波分量為1/n。最下面的圖是振幅為dBμV的對數(shù)曲線圖，dBμV是基于以1μV電壓為基準的電壓比的dB 值（1μV＝0dBμV）。

圖A 初始波形

圖B 頻率提高到2M

圖B是將頻率提高到2MHz時的頻譜，從頻率--振幅（dBμV）關系圖可以明確看出，當基波頻率增高時，整個頻譜會向右（頻率高的一側）偏移。

圖C tr/tf提高到100ns

圖C是tr和tf的速度都減慢為100ns時的頻譜，由于進入-40dB/dec衰減時的頻率降低，因此高次諧波的頻譜振幅衰減。

圖D將Duty從50%變?yōu)?0%

圖D是將Duty從50%變?yōu)?0%時的頻譜，由于Duty不是1:1，因此會產(chǎn)生偶次諧波，但峰值基本上沒變化，隨著脈沖寬度tw變窄，基波頻譜的振幅衰減。

圖E 將tr（上升時間）減慢

圖E是僅將tr（上升時間）減慢時的頻譜，tr相關的高次諧波分量因tr變慢而衰減。即僅上升速度減慢 ? 上升分量相關的高次諧波衰減?？偠灾?，當基波頻率較低且上升/下降較慢時，諧波頻譜會衰減，從EMC的角度來看，也就是頻譜的振幅較低時更有利。

對比圖A和圖D，可以發(fā)現(xiàn)當上升沿，下降沿不變時，僅僅占空比減小，頻率幅值強度會降低，高次諧波分量不變，這一方面是因為占空比降低，磁通量=L*I，占空比減小，I減小，則磁通量減小，磁場能量降低.

綜上，降低信號上升沿，降低占空比，可以改善EMI性能。

3.2 對比分析結論：

頻率變高，頻譜整體增加

上升/下降速度減緩，低頻段衰減-40dB/dec

Duty變更，發(fā)生偶數(shù)次高次諧波，但對頻譜的峰值無影響，基波下降

僅上升速度減緩，上升成分在低頻段衰減

頻率越低，上升/下降越慢，頻譜越低

4、差模與共模EMC

4.1 差模與共模系統(tǒng)

一般對于系統(tǒng)來說，差模噪聲是有用的信號，共模噪聲是無用的信號，共模抑制在差分電流源，電壓源等電路系統(tǒng)中十分重要。

如下圖所示為一個簡單的差模系統(tǒng)和共模系統(tǒng)：

差模+噪聲到底電容=共模

對上述系統(tǒng)進行簡化與分解。電源作為發(fā)送端，提供一定頻率甚至帶調制的電源信號，這個過程中收到外界的干擾和自身的噪聲干擾，pcb電路系統(tǒng)作為接收端，形成具有環(huán)路面積S的系統(tǒng)，差模噪聲幅度相同，相位相反；共模噪聲幅度相同，相位相同，如下圖所示：

差模噪聲輻射??????共模噪聲輻射

進行代數(shù)幾何簡化后的距離與尺寸模型：

設100MHz頻率的差模噪聲電流1uA流過20cm2環(huán)路面積。距離1m處 (90度)的電場強度值為：Ed = 1.316 * 10-14 *( Ld *f2 * S/r)

= 1.316 *10-14 * (1uA x (100MHz )2 * (0.2 x 0.01)/1)

= 0.26uV/m

共模噪聲：

設100MHz頻率的共模噪聲電流1uA流過20cm的線纜。距離1m處(90度)的電場強度值為:? Ec = 1.257 x 10-6 *(（Ic*f* L）/r)

=? 1.257 x 10-6 *((1uA * 100MHz * 0.2)/1)

= 25.1uV/m

由此可見，即使的噪聲電流值相同，受共模噪聲的影響也很大 (在上例中為96倍)。

如果線束采用絞合線則面積S減小，差模噪聲減少。

面積S對共模噪聲無影響。

4.2 結論

差模噪聲輻射強度正比于環(huán)路電流I，頻率平方，環(huán)路面積，反比于輻射源和干擾源距離。環(huán)路面積越大，線纜越長，EMI和EMC性能都不好。

差模干擾和共模干擾只是由于不同的耦合路徑下造成的結果，本質上還是要從干擾源可能引起的路徑出發(fā)。

5、EMC的屏蔽

電磁場屏蔽本質是堵+消耗，低頻電場/磁場是疏，靜電場是疏。

電磁屏蔽是以某種材料（導電體或導磁體）制成的屏蔽殼體，將需要屏蔽的區(qū)域封閉起來，形成電磁隔離，即其內的電磁場不能越出這一區(qū)域，而外來的輻射電磁場不能進入這一區(qū)域（或者進入該區(qū)域的電磁能量將受到很大的衰減）。

（1）高頻磁場屏蔽采用低電阻率的良導體材料，如銅、鋁等。其屏蔽原理是利用電磁感應現(xiàn)象在屏蔽體表面所產(chǎn)生的渦流的反磁場來達到屏蔽的目的。

（2）低頻磁場屏蔽常用高磁導率的鐵磁材料，如鐵、硅鋼片坡莫合金。其屏蔽原理是利用鐵磁材料的高磁導率對干擾磁場進行分路。