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DC/DC开关电源EMC仿真红宝书

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“ 本红宝书系统性介绍开关电源EMC仿真方法，包括仿真原理、仿真思路、仿真工具以及仿真效率提升与仿测一致性的实战经验。从理论到仿真，从仿真到应用，真正帮你实现一文掌握开关电源EMC仿真！全文约14000字，适读人群：开关电源设计、电磁兼容EMC相关从业者，电磁相关专业研究生及CST仿真爱好者等。内容及附件仅供个人学习使用，未经许可请勿扩散！”

关键词：电源EMC，场路仿真，器件模型，电压法CE，数据后处理，窗函数，CISPR标准，EMI接收机，虚拟验证，EMI噪声分离，滤波器量化设计，Layout优化，Mosfet高频模型，Snubber电路设计，展频SSC技术

01 导读

搞硬件开发的朋友都或多或少有过一个感觉：EMC是一个相对玄学的东西，在未开展EMC测试前，所有的理论设计都存在未知数。而要说EMI最主要的来源，那非开关电源莫属。尤其是当下产品越做越小，功率密度越做越高，开关高频化、芯片集成化，使得EMC问题愈加复杂。

本文以目前最常见的非隔离式DCDC电源——BUCK变换器，作为仿真分析对象，详细介绍了在CST软件中如何进行开关电源的EMC仿真，具体章节内容安排如下。

第一部分（理论基础）：第2、3节介绍同步BUCK电路的工作原理及噪声机理、噪声路径与噪声特性；

第二部分（仿真方法）：第4节介绍PCB导入CST的方法，介绍端口设置要点；第5节介绍仿真的底层原理，CST电路仿真方法与电路搭建以及在EMC电路仿真中的关键设置；第6节介绍PCB+Schematic的场路联合仿真方法，以及在EMC仿真中的关键设置；第7节介绍仿真结果的后处理方法：快速傅立叶变换FFT设置技巧、不同窗函数的应用场景等，以及模拟CISPR法规要求的EMI接收机与法规限值线的报告出图方法；

第三部分（优化仿真）：第8-13节作为本文的核心章节，详解如何在软件中对开关电源的各种EMC优化措施进行虚拟验证，包括：展频SSC技术模拟、驱动信号优化、差/共模噪声提取与滤波电路插损量化设计、Bypass电容选型、Layout电流环路与开关节点SW优化等各种EMC措施与对应的仿真技巧。某种意义上讲，这些EMC优化仿真相当于一次预先的EMC摸底与整改测试，可以为企业节省一笔巨大的研发投入与时间成本；

第四部分（经验总结）：第14节总结开关电源EMC仿真的要点，介绍提高EMC仿真精度与仿测一致性的方法，为高阶EMC仿真用户提供工程参考。

第五部分（文件下载）：第15节为本文引述的文献资料，第16节为付费读者提供PDF资料以及本文仿真源文件的下载途径。

01 导读

02 BUCK电路介绍

03 BUCK电路噪声机理

04 EDA导入操作

05 电路仿真方法与关键设置

06 场路仿真方法与关键设置

07 数据后处理（模拟EMC法规要求）

08 EMC优化仿真：展频SSC

09 EMC优化仿真：驱动信号

10 EMC优化仿真：噪声分离与滤波器量化设计

11 EMC优化仿真：Cbypss电容

12 EMC优化仿真：Layout优化

13 EMC优化仿真：开关节点SW

14 总结

15 参考资料

16 源文件下载

本文以同步BUCK电路为例对电源EMC仿真进行系统性剖析：包括电路仿真、场路仿真、仿真结果后处理以及EMC优化等内容。此外，提供了本文所有章节的仿真源文件下载，结合仿真工程让你从0到1快速掌握开关电源的EMC仿真技术。

02 BUCK电路介绍

BUCK拓扑工作模式

BUCK拓扑的工作原理，简单描述就是通过控制开关管Q1的通断，配合续流二极管D以及储能电感L来实现DC-DC降压变换。根据BUCK电感的电流在每个周期初始状态是否从零开始，可将其工作模式可以分为：连续模式(CCM)、临界连续模式(BCM)以及断续模式(DCM)，下图是电感电流连续模式CCM下的工作波形。

异步与同步

BUCK变换器根据续流管采用二极管或MOS管，又可以分为异步整流与同步整流BUCK。同步整流BUCK，即续流管采用Mosfet，由于Mosfet较低的导通电阻（通常为mOhm级），导通损耗比二极管更低，因此效率更高而得到广泛的应用。

关于BUCK电路的工作原理、公式推导等内容，不是本文的重点，原理介绍仅作抛砖引玉。

03 BUCK电路噪声机理

BUCK电路的噪声机理

MOSFET在开关过程中，会导致环路电流与节点电压快速变化（较高的di/dt与dv/dt）产生了开关频率fsw及大量倍频谐波噪声。为追求极致的电源小型化，开关频率越做越高，使得电源噪声覆盖至更高的通信频段。

BUCK电路中存在两条电流回路：

1）当Q1导通时，电流从Cin流出，经Q1和L1后进入输出电容Cout和负载Rload，再通过地线返回输入端，其电流路径如下图红线所示。

2）当Q1截止后，同步整流管Q2导通，由于电感电流无法突变，会保持原方向流动，此时的电流经L1、输出电容和负载，经地线与整流管Q2回流至L1，其电流路径如下图蓝线所示。

电流I1和I2都是不连续的，它们在发生电流切换的时候都存在陡峭的上升沿和下降沿，因而存在很高的电流变化速度di/dt，存在很多高频成分。从电磁辐射的角度来看，阴影A1区域是存在高电流变化率di/dt的回路部分，这个回路将生成最多的高频成分，因而在BUCK电源的EMC设计中需要被重点考虑。

BUCK电路的噪声路径

差模DM和共模CM信号代表两种形式的传导发射。DM电流通常称为对称模式信号或横向信号，而CM电流通常称为非对称模式信号或纵向信号。

1）差模传导噪声

DM噪声电流 (IDM) 由变换器固有开关动作产生，并在正负电源线L1和L2中以相反方向流动。DM传导发射为“电流驱动型”，与开关电流 (di/dt)、磁场和低阻抗相关。DM噪声通常在较小的回路区域流动，返回路径封闭且紧凑。

2）共模传导噪声

CM噪声电流 (ICM) 会流入接地 GND 线并通过L1和L2电源线返回。CM传导发射为“电压驱动型”，与高转换率电压 (dv/dt)、电场和高阻抗相关。在BUCK电路中，由于 SW 节点处的dv/dt较高，产生了CM噪声，从而导致产生位移电流。该电流通过与 Mosfet 外壳、散热器和 SW 节点走线相关的寄生电容耦合到 GND 系统。与转换器输入或输出端的接线较长相关的耦合电容也可能构成 CM 噪声路径。

3）差/共模辐射噪声

除了传导噪声外，由于电源线中流动着变化的噪声电流，还会产生辐射噪声。差模噪声导致的辐射场强与环路面积大小S强相关，共模噪声导致的辐射场强与线缆长度L强相关。在噪声电流值相同的情况下，共模辐射噪声要比差模辐射噪声高的多。关于BUCK电路的辐射噪声优化的内容，将在第12节Layout优化中展开介绍。

BUCK电路的噪声特性

了解完BUCK电路的噪声来源，再看下它的噪声特性，开关节点电压波形及其频谱包络如下图所示，噪声分量主要受脉冲宽度（占空比Duty*开关周期Tsw）和上升（Tr）/下降（Tf）时间的影响。

这里用Ansys Circuit搭建简单BUCK电路进行对比：下图所示，是一个25V转5V的同步整流BUCK的主电路，开关频率为200kHz，驱动信号信息在图中标注。

现在我们将其上升/下降时间均设置为变量Trise，并取不同的值为10ns，50ns，100ns，其他参数（如死区时间Tdead等）均保持不变，可以看到在仅改变Trise的情况下，BUCK的输出电压始终能稳定在5V，只是电源启动过程中振荡的波形发生了一点变化，这种ms级别的微小变化在Vout波形上几乎感觉不到。

但是，此时再看下在LISN上采集到的电压噪声：随着Trise的增大，FFT得到的噪声出现明显降低。

这也意味着，我们可以通过改变MOS管的上升/下降时间来实现EMC优化。开关的速度越慢，BUCK的噪声分量衰减的越快，高频的EMI噪声也就更弱。

对于MOS分立式电路来说，可以通过增大栅极电阻Rg来同时增加导通时间和截止时间；
对于MOS集成的电源芯片，可以通过在自举电路中加入电阻Rboot来实现。

有人会问了，那我们为什么不直接把Mosfet的开关时间做得越大越好呢？

——世间鲜有两全其美的事情，开关电源追求的目标是极致的高效率与小型化，当我们通过缓冲电路或栅极电阻等措施来增大Trise/Tfall时，带来的代价是——增加开关过程中的损耗（如下图所示，Vds与Ids交叠的区域将变大，这部分交叠区域即Mosfet的开关损耗），这样会牺牲电源的效率，也会使散热要求变的更为严格，因此需要在效率和EMC之间进行权衡。

BUCK电源的EMC理论基础暂且介绍到此。

一直以来，EMC行业被人们经常诟病的是工作非常吃经验，工程师们在对新产品EMC开发时无法对其进行量化设计，会预留大量的器件与PCB空间冗余。

当前通过电磁仿真技术，我们可以在产品设计阶段，在未进行测试的情况下就对可能存在的EMC风险进行预测与推演，并以此推动方案朝着有利于我们的方向去优化、落地。电磁仿真在EMC设计中有大量的应用案例。

仿真所代表的虚拟测试技术，在未来的产品开发中还会持续加码！下面，我们进入本文的正题部分：

一文速成开关电源EMC仿真！

来源：电磁学社

CST仿真指导 | PCB导入与端口设置

点击关注“电磁学社”“ PCB是电子元件进行电气连接的重要载体，仿真中有很多要考虑PCB的场景。本文介绍如何在CST 3D中进行EDA Import，并对其进行切割、元器件赋值以及端口设置等操作。” 关键词：EDA Import，PCB切割，Lumped Element，Port设置 01 EDA Import EDA文件导入方法：Modeling > Import/Export。以下，以导入一个Cadence Allegro绘制的PCB文件作为演示：对PCB的Stackup叠层、Component器件、NET网络、Area区域（裁剪）等进行二次编辑。为了提高效率，我们总希望最终导入到CST 3D中的模型是我们所关注的功能模块、网络或器件的PCB区域，可以通过选择NET或绘制区域进行切割。如果对导入到3D的PCB模型不太满意，需要重新调整，在3D界面中可以通过EDA Import Dialog再次进入PCB编辑界面。02 Lumped Element 在PCB的导入过程中，可以一并将信号走线周边的元器件导入，默认器件类型是理想元件。当然，如果为了更加精确的仿真，还可选择导入器件的S参数或SPICE模型。方法一：如下图所示，直接在EDA Import界面操作，选中器件后，更改器件类型为S参数或SPICE，并导入实际模型。方法二：在PCB导入时先选择默认的理想元件，而后在CST 3D中再更改为实际模型。03 Port设置添加Port有两种形式：1）Pin to Reference Port、2）Pin to Pin Port；以下，以创建一个电感的Port作为演示，比较二者的区别：1）Pin to Reference Port：顾名思义是由器件Pin脚到参考面的Port，参考面是由软件自动在器件的上方生成的PEC sheet，如果在指定Ref.Net（参考NET）的情况下，该Sheet会与Ref.Net通过PEC连接。根据CST 3D中生成的模型来看，电感的两个PIN分别参考PEC Sheet生成了Port。若要进行场-路仿真，在CST电路中直接将两个Port与电感的两端连接即可：2）Pin to Pin Port：与上面方法不同，生成的Port直接连接在器件两端的PIN上。在CST 3D中呈现的结果，也只有一个Port：这种情况下，在CST电路中要对电感进行连接，需要用到一个虚构的GND，如下图所示。电磁学社原创作品 ❖ 关注电磁学社，获取更多资源 ❖ ▼ ▼ ▼ - 关注回复 -【资料】获取学习资料【进群】加技术交流群【咨询】产品解决方案 ▲欢迎关注“电磁学社”其他平台同名账号来源：电磁学社