基于Ansys Circuit软件的信号EMC分析

1、EMC的性质  

EMC（Electromagnetic Compatibility），电磁兼容性，他的定义为，即不对其它设备产生电磁干扰，并且受到来自其它设备的电磁干扰时，系统运行不受影响，仍保持原有的性能。EMI（Electromagnetic Interference），电磁干扰，由于IC工作产生噪声EMI，给周边IC和系统带来干扰或者干扰性的电磁波，所以需要设计不产生EMI的电路。

EMS（Electromagnetic Susceptibility），电磁干扰敏感度或电磁敏感性，他的定义为，即使受到EMI影响也不会造成干扰的能力与耐受性，需要设计能承受EMI的可靠性电路。测试领域里面EMI分为两种，传导噪声（Conducted Emission）和辐射噪声（Radiated Emission）。

传导噪声是指经由线体或PCB板布线传导的噪声，辐射噪声是指排放（辐射）到环境中的噪声。对于这些噪声，EMS中分别都有耐受性要求，称为传导抵抗力（Conducted immunity）和辐射抵抗力（Radiated immunity）它们的关系如下：

2、辐射机制与频谱  

2.1辐射原理  

通电导体在直流时仅产生磁通量，而在直流时候会产生磁场和电场，辐射时候由于楞次和安培定律，磁场在导体周围比较强，电场在远处比较强。这是由于辐射的电生磁，磁生电，在自由空间进行交替传播而导致的，变化的di/dt,dv/dt都可以看作是干扰源，干扰路径需要考虑共模耦合，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，只是这儿的磁回路耦合路径是可以看见的，感性耦合可以看作看见的回路和看不见的回路。辐射干扰源可归纳为（磁偶极子）辐射和（电偶极子）辐射。如果根据场区远近划分，（近区场）主要是干扰源的感应场，而（远区场）呈现出辐射场特性，通常以通常以1/6波长作为近场和远场的临界点：

处在直流状态的电信号，f=1/T，T足够长，可以理解其基频信号频率为0，那么它的各种奇次偶次谐波也是0，即没有高频信号，只会产生磁通。而处在交流状态的电信号，会产生不断变化的磁场，不断变化的磁场又会产生不断变化的电场，循环这一过程，引入位移电流的概念，就是辐射的核心机理。

在系统的信号传输中，IC与IC之间的信号在高速调制信号的发射与接收过程中，形成依赖于位移电流的电磁干扰，是实际项目中比较令人头疼的问题,通过分解信号的成分，在时域和频域上形成观测，以检测信号时否收到干扰，是研究信号的基础，由傅里叶变换的基础理论我们知道，信号速率越高，码元成分越复杂，频率与幅度信息与组合种类也越多，在一个码原信号的上升、下降过程，上升与下降的时间Ts直接决定了码元信息的能量密度，也就是上升、下降沿的直线斜率衡量了信息的大小与成分，由此可见，傅里叶变换的本质是用一组正弦或余弦波拟合出一个方波，反之亦然。

2.2频谱与分解

从上图可以看出，数字波形是由多种频率叠加而形成的，示波器和频谱仪分别从两个视角获得一个数字波形的不同信息，示波器获得bit信息，频谱仪获得频谱信息或者能量信息。

而基于傅里叶变换的理论上的脉冲波形频谱，这是一个连续化频谱，振幅随着频率的升高而衰减，衰减斜率随着tw和ts而变化。蓝色线表示脉冲的ts变慢后的频谱变化，斜率变为-40dB/dec 时的1/𝜋ts频率降低（向左偏移），最终结果是其后的振幅减少，即当ts延迟时频谱的振幅衰减，频谱下降。

3、频谱的影响与共模/差模信号研究

3.1基于circuit的差、共模系统

通过ansys-circuit软件建立差模电路与共模电路，导入相应模块的symbol,设计简单的分析系统，对信号源进行编辑，振幅=10V，频率=400kHz，Duty=50%，tr/tf=10ns，放置信号源，探针等，完成信号的系统搭建。

对于信号波形的变化，频谱将以怎样的趋势变化，使用实际的频谱分析仪数据来分析频率等其他参数变化时的频谱变化。这里将通过实际的DC-DC的开关相关的频谱来分析并解决EMC问题时所需要的理论知识。图A中的图形是初始条件下的数据：振幅=10V，频率=400kHz，Duty=50%，tr/tf=10ns。中间的图表示n次谐波和振幅（V）的关系，1倍的频率＝基波，400kHz的分量最大，以奇数倍的频率形成频谱。仅产生奇次谐波是Duty为50%（＝1：1）的频谱特征，各分量的大小为基波分量的1/次数，例如3次谐波分量为1/3，n次谐波分量为1/n。最下面的图是振幅为dBµV的对数曲线图，dBμV是基于以1µV电压为基准的电压比的dB 值（1µV＝0dBµV）。

图A 初始波形

图B 频率提高到2M

图B是将频率提高到2MHz时的频谱，从频率--振幅（dBµV）关系图可以明确看出，当基波频率增高时，整个频谱会向右（频率高的一侧）偏移。

图C tr/tf提高到100ns

图C是tr和tf的速度都减慢为100ns时的频谱，由于进入-40dB/dec衰减时的频率降低，因此高次谐波的频谱振幅衰减。

图D将Duty从50%变为20%

图D是将Duty从50%变为20%时的频谱，由于Duty不是1:1，因此会产生偶次谐波，但峰值基本上没变化，随着脉冲宽度tw变窄，基波频谱的振幅衰减。

图E 将tr（上升时间）减慢

图E是仅将tr（上升时间）减慢时的频谱，tr相关的高次谐波分量因tr变慢而衰减。即仅上升速度减慢 ⇒ 上升分量相关的高次谐波衰减。总而言之，当基波频率较低且上升/下降较慢时，谐波频谱会衰减，从EMC的角度来看，也就是频谱的振幅较低时更有利。

对比图A和图D，可以发现当上升沿，下降沿不变时，仅仅占空比减小，频率幅值强度会降低，高次谐波分量不变，这一方面是因为占空比降低，磁通量=L*I，占空比减小，I减小，则磁通量减小，磁场能量降低.

综上，降低信号上升沿，降低占空比，可以改善EMI性能。

3.2 对比分析结论：

• 频率变高，频谱整体增加

• 上升/下降速度减缓，低频段衰减-40dB/dec

• Duty变更，发生偶数次高次谐波，但对频谱的峰值无影响，基波下降

• 仅上升速度减缓，上升成分在低频段衰减

• 频率越低，上升/下降越慢，频谱越低         

4、差模与共模EMC  

4.1 差模与共模系统  

一般对于系统来说，差模噪声是有用的信号，共模噪声是无用的信号，共模抑制在差分电流源，电压源等电路系统中十分重要。

如下图所示为一个简单的差模系统和共模系统：

差模+噪声到底电容=共模

对上述系统进行简化与分解。电源作为发送端，提供一定频率甚至带调制的电源信号，这个过程中收到外界的干扰和自身的噪声干扰，pcb电路系统作为接收端，形成具有环路面积S的系统，差模噪声幅度相同，相位相反；共模噪声幅度相同，相位相同，如下图所示：

差模噪声辐射      共模噪声辐射

进行代数几何简化后的距离与尺寸模型：

设100MHz频率的差模噪声电流1uA流过20cm2环路面积。距离1m处 (90度)的电场强度值为：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

共模噪声：

设100MHz频率的共模噪声电流1uA流过20cm的线缆。距离1m处(90度)的电场强度值为:  Ec = 1.257 x 10^-6 *(（Ic*f* L）/r)

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

= 25.1uV/m

1. 由此可见，即使的噪声电流值相同，受共模噪声的影响也很大 (在上例中为96倍)。

2. 如果线束采用绞合线则面积S减小，差模噪声减少。

3. 面积S对共模噪声无影响。

4.2 结论

差模噪声辐射强度正比于环路电流I，频率平方，环路面积，反比于辐射源和干扰源距离。环路面积越大，线缆越长，EMI和EMC性能都不好。

差模干扰和共模干扰只是由于不同的耦合路径下造成的结果，本质上还是要从干扰源可能引起的路径出发。

5、EMC的屏蔽  

电磁场屏蔽本质是堵+消耗，低频电场/磁场是疏，静电场是疏。

电磁屏蔽是以某种材料（导电体或导磁体）制成的屏蔽壳体，将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能越出这一区域，而外来的辐射电磁场不能进入这一区域（或者进入该区域的电磁能量将受到很大的衰减）。

（1）高频磁场屏蔽采用低电阻率的良导体材料，如铜、铝等。其屏蔽原理是利用电磁感应现象在屏蔽体表面所产生的涡流的反磁场来达到屏蔽的目的。

（2）低频磁场屏蔽常用高磁导率的铁磁材料，如铁、硅钢片坡莫合金。其屏蔽原理是利用铁磁材料的高磁导率对干扰磁场进行分路。