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开关信号的上升沿时间对传导发射的影响

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做EMC整改的小伙伴们都知道增大驱动电阻就能减小EMI传导发射的幅值。那么这是为什么呢?有些小伙伴可能会说,老司机带我的时候都是这样说的,增大驱动电阻,延长开关信号的上升沿时间,对我们EMC整改很有效果。

小编是硬件工程师出身,对EMC整改其实经验一般,也没各位小伙伴们专业。小编今天从频谱分析的角度来聊一聊:开关信号的上升沿时间对EMI传导发射的影响。如果有说得不好的或者不对的地方,欢迎指正。
在这里要引入一个将上升时间与频率联系在一起的重要概念:转折频率,也就是fknee,转折频率的计算表达式为:

根据傅里叶变换,方波可以分解为无穷次正弦波的谐波叠加形式,方波的边沿即上升沿或下降沿越陡峭,其包含的谐波次数就越多,转折频率表示谐波能量累加占总能量95%的谐波次数值。由此可知,fknee越高,就表示速度越高,速度越高转折频率就越高,从而将速度与频率联系到一起。

通过这些理论学习,让我们能更加充分的理解,为什么方波信号或者CLK信号上升时间越短,高次谐波分量越大,对EMC的影响越大,因此我们在电路设计过程中在满足系统时序的前提下,应该尽量降低这些高频信号的上升时间。

那么这个公式:转折频率=0.35/信号上升沿时间是怎么来的,这个0.35常数又是怎么得到的。

带宽1GHz以下的示波器通常是高斯响应示波器,如图,高斯响应示波器在-3dB处表现出缓慢的下降特征,最大平坦度响应,在-3dB处表现出更快的下降特性,并且带内响应更加平坦。

高斯频响可以表示为式

废话不多说,直接上公式推导:

接着我们来激励一个10kHz的方波信号,为什么要用频率是10kHz,因为电机控制很多都用的10kHz的开关频率。方波信号的周期就是100us。我们分别设置三个不同上升沿时间的方波信号,上升沿时间分别为0.01us,0.1us还有1us。如图

红色上升沿时间0.01us,转折频率35MHz

绿色上升沿时间0.1us,转折频率3.5MHz

蓝色上升沿时间1us,转折频率0.35MHz

上图我们可以总结出:

相同频率的方波信号,上升沿时间越长,转折频率越小,频谱的带宽就越小,对高频的衰减就越大。反之,上升沿时间越短,转折频率越大,频谱的带宽就越大,对高频的衰减就越小。

另外我们拿上升沿时间为0.01us方波信号的频谱看一看,如图

我们发现:

(1)基波频率至转折频率之间,频谱是呈现-20dB/十倍频衰减

(2)过了转折频率之后,频谱斜率更大,衰减大于20dB/倍频


所以最后我们得出一个结论:增大驱动电阻,时间常数增加,开关信号上升沿时间增加,开关信号的谐波分量减少,转折频率变小,高次谐波的衰减增大。

但是也不能将开关信号的上升沿时间设置的过大,这样会使开关器件的开关损耗过大,导致器件过热。所以设置合适的驱动电阻和控制开关元器件的损耗需要做一个权衡。

来源:CST电磁兼容性仿真
电路理论电机控制
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首次发布时间:2023-07-27
最近编辑:1年前
希格斯玻色子
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