信號上升沿對EMI的影響

案例摘自鄭軍奇專著《EMC設計與測試案例分析》第三版

問題描述：

某汽車零部件產品是電機驅動器，在進行傳導騷擾測試時，發(fā)現沒有通過，下圖是該電機驅動器的傳導騷擾測試結果：

圖1 某電機驅動器的傳導騷擾測試結果

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

圖2 增加電容后的電機驅動器的傳導騷擾測試結果

原因分析：

圖3是驅動器產生EMI問題的原理圖。圖3中驅動器的驅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模回路，當驅動器的信號電流流過LISN時，即產生傳導騷擾。

圖 3 變頻驅動器產生EMI問題的原理圖

驅動器的輸出信號假設為矩形波，根據傅里葉變換，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的變高呈線性衰減，高次諧波分量的幅度隨諧波次數的變高呈平方衰減。諧波分量的幅度為線性衰減與平方衰減的轉折點為1/ΠTr，如上升沿時間10ns，對應的轉折點約30MHz。案例中，當功率管的D、S兩極間并聯電容后，對于功率管輸出的信號電壓波形，實質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折點為1/ΠTr的值變?。磸脑瓉淼?0MHz下降為6MHz），矩形波的諧波分量的幅度隨著諧波次數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系，而低次諧波的幅度與上升沿時間無關，當產品周期性工作信號的高次諧波頻點EMI超標時，降低產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兩極間并聯電容或在G極上串聯電阻、磁阻都可增大功率管輸出信號的上升沿時間，D、S兩極間并聯的電容值大小與高次諧波幅度的降低無直接的關系，應該考慮電容值大小與上升沿時間的關系；

時鐘線上并聯電容，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，降低時鐘信號產生的EMI水平。







審核編輯：劉清