其實(shí)各種現(xiàn)象背后都有科學(xué)規(guī)則。EMI問題雖然讓人云山霧罩，但只要我們道行夠深，就可以通過科學(xué)分析還原出它本來的面目。

在2018年8月14日，由美國芯源系統(tǒng)有限公司（MPS）主辦的“電源EMI分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研討會(huì)”上，三位專家分別分享了他們對EMI問題的見解。

這次我們有幸邀請了EMI學(xué)術(shù)界的大?！獊碜悦绹鹆_里達(dá)大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系的王碩教授。王碩教授在EMI的研究上有極高的造詣，發(fā)表了無數(shù)IEEE論文，本次他給大家?guī)砹艘粓鲆浴艾F(xiàn)代電力電子系統(tǒng)中的EMI分析和設(shè)計(jì)”為主題的精彩演講，針對工程師普遍困擾的電磁干擾問題，王碩教授從EMI問題產(chǎn)生的源頭出發(fā)，結(jié)合深入淺出的變壓器數(shù)學(xué)模型，多方闡述有關(guān)EMI噪聲抑制的方案，并分享出新穎實(shí)用的EMI測試方法，為燒腦于電磁輻射的攻城獅們傳道授業(yè)解惑。

圖注：王碩教授在進(jìn)行演講

01攻克目標(biāo)1：暗中攪局的的變壓器寄生電容

我們知道，EMI由差模+共模構(gòu)成。差模噪聲回蕩于L-N線；共模噪聲則游走于寄生電容到地之間。在反激變換器中，共模較之差模更兇險(xiǎn)。變壓器原副邊之間分布著許多寄生電容，原邊MOS管漏極對地同樣存在寄生電容，兩者共同作用，為共模電流獨(dú)辟蹊徑。由于反激變換器定位的功率較小，與之匹配的MOS的寄生電容作用相對削弱，由此變壓器寄生電容對共模噪聲的影響便更為突出。

攻克目標(biāo)2：Y電容的前世今生

Y電容的作用即是把通過變壓器寄生電容流入副邊的共模電流旁路回原邊，以阻止該共模電流流經(jīng)對地阻抗后回歸至交流側(cè)，從而達(dá)到減小EMI的目的。然而Y電容亦是一把雙刃劍，一旦其發(fā)生失效，交流側(cè)的電流則會(huì)漏入副邊，存在極大的安全隱患。為保證設(shè)計(jì)可靠，通常會(huì)串聯(lián)兩只Y電容作冗余，而這與當(dāng)前業(yè)界不斷追求產(chǎn)品小型化的趨勢又相斥。

如何減少抑制共模噪聲的濾波器，如何在Y電容缺席的前提下保證EMI順利通關(guān)，成敗皆在變壓器。就讓我們細(xì)細(xì)品讀王碩教授潛心研究的反激變壓器設(shè)計(jì)之道。

02任何科學(xué)的研究離不開數(shù)學(xué)建模的支持，王碩教授及其團(tuán)隊(duì)將復(fù)雜的反激變壓器共模模型簡化為兩個(gè)電容模型的架構(gòu)，以便分析EMI共模噪聲的抑制。由于原副邊地之間存在等效阻抗，一旦原副邊地之間的壓差VGND0建立，便形成了共模電流，目標(biāo)很明確：如果能將VGND0降至最低，即可有效抑制共模噪音。如下圖，假設(shè)原邊繞組的端口AB之間施加一電壓VAB，故VGND0的大小則取決于等效電容CBD的容值。目標(biāo)進(jìn)一步明確：CBD容值越小，共模噪音越低。

CBD由哪些因子組成呢？變壓器各繞組端口之間均存在寄生電容，排列組合后會(huì)形成繁瑣龐大的數(shù)學(xué)模型（如下圖），而對于應(yīng)用端的工程師而言，只需了解最終影響CBD的關(guān)鍵參數(shù)即可。在這個(gè)公式中，我們可以看到三項(xiàng)負(fù)數(shù)因子，其分別對應(yīng)圖中紅框所示的電容，稱之為平衡電容，通過增減這些容值，使其正負(fù)抵消，最終獲得CBD=0。

這里穿插一個(gè)Tips：如何在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證變壓器的性能？

根據(jù)上述分析可知，任何反激變換器的多繞組變壓器可以等效為一個(gè)CBD+CAD的電容模型，我們知道想要降低共模噪聲，CBD越小效果越佳。如何利用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)儀器就能檢驗(yàn)變壓器性能的優(yōu)劣呢？王碩教授在此支招：

將信號(hào)發(fā)生器施加電壓至AB端，用示波器分別測得AB之間的電壓與原副邊兩地之間的電壓，兩者相比后，比值越小，說明該變壓器的CBD越小，共模噪聲則越低。

03在實(shí)際電路中，除了變壓器各繞組之間寄生電容引發(fā)的噪聲以外，還有一只潛伏的寄生電容大軍遍布各處，即變壓器的磁芯與繞組之間，磁芯與各功率管的散熱器之間，氣隙導(dǎo)致線圈與散熱器之間，均存在寄生電容，即便能將CBD降為0，而這些寄生電容誘發(fā)的噪聲耦合，同樣會(huì)影響EMI測試的結(jié)果?；诖?，王碩教授進(jìn)一步提出：

解決變壓器外部寄生電容的共模噪聲的方法： 磁芯接地：可以將原邊至磁芯的共模噪聲旁路回原邊。 銅箔包裹磁芯后接地：可以屏蔽繞組與功率管散熱器之間的耦合路徑，將共模噪聲旁路回原邊，一舉斬獲所有原邊至副邊的耦合噪聲。 副邊繞組居中繞制：將原邊繞組或輔助繞組分別靠近磁芯中柱與兩側(cè)繞制，副邊繞組居中，使得其遠(yuǎn)離磁芯，從而降低副邊與磁芯的耦合。

中場總結(jié)

降低反激變換器共模噪聲的有效途徑：施加平衡電容+磁芯屏蔽。各個(gè)擊破，將干擾降至最低，用科學(xué)的手段省去耗成本耗體積的共模濾波器。

04解決了開篇提出的問題一，對于Y電容如何規(guī)避呢？細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)問：平衡電容需要跨接于原副邊繞組之間，這和Y電容的性質(zhì)是相似的。如何才能完全將Y電容取締呢？同樣從變壓器出發(fā)，王碩教授巧妙提出：

在靠近副邊繞組的動(dòng)點(diǎn)處增加一層輔助繞組，該繞組一端接原邊地，一端懸空，繞組的匝數(shù)對等于Y電容的容值，從而起到將副邊共模噪聲旁路回原邊的目的。

05介紹了反激變壓器EMI的優(yōu)化設(shè)計(jì)之余，王碩教授還與工程師們分享了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中共模噪聲的抑制方法，同樣通過數(shù)學(xué)建模，基于低損耗小尺寸的正饋電流注入有源濾波器，混合不同的無源濾波器，闡述EMI測試的結(jié)果。

同時(shí)，MPS市場技術(shù)及應(yīng)用工程師經(jīng)理——羅鉦，介紹了MPS芯片在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中的幾個(gè)技巧來消除EMI：

封裝上通過MESH CONNECT的技術(shù)減小寄生電感來降噪；

輸入電容采用對稱性布置從而設(shè)計(jì)出相反的磁場來抵消總磁場；

還有把對噪聲影響很大的輸入電容集成于芯片內(nèi)部的技術(shù)。

圖注：羅鉦經(jīng)理在進(jìn)行演講

羅鉦還重點(diǎn)介紹MPS全新組建的EMC實(shí)驗(yàn)室及EMC顧問專家團(tuán)隊(duì)。為了更深入的分析EMC問題，MPS在杭州，美國和歐洲都建立了自己的EMC實(shí)驗(yàn)室。

圖注：MPS 杭州EMC實(shí)驗(yàn)室

精彩迭起，本次研討會(huì)還特別開辟汽車電子專欄，MPS公司汽車電子部現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)理——謝建宇，基于汽車電子EMI測試的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)例與大家分享汽車電子產(chǎn)品中的電源EMI設(shè)計(jì)精華，并重點(diǎn)講解了差模和共模濾波器的設(shè)計(jì)技巧。

圖注：謝建宇經(jīng)理在進(jìn)行演講