摘要

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設備和5G連接等技術(shù)創(chuàng)新成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?，監(jiān)管這些設備的電磁輻射并量化其EMI抗擾度的需求也隨之增加,。滿足EMC合規(guī)目標通常是一項復雜的工作,。本文介紹如何通過開源LTspice?仿真電路來回答以下關(guān)鍵問題：（a） 我的系統(tǒng)能否通過EMC測試，或者是否需要增加緩解技術(shù),？（b） 我的設計對外部環(huán)境噪聲的抗擾度如何,？

　　為何要使用LTspice進行EMC仿真？

　　針對EMC的設計應該盡可能遵循產(chǎn)品發(fā)布日程表,，但事實往往并非如此,，因為EMC問題和實驗室測試可能將產(chǎn)品發(fā)布延遲數(shù)月。

　　通常,，仿真?zhèn)戎赜陔娮釉O備的功能方面,；但是，諸如 LTspice 之類簡單的開源工具也可以用來仿真任何設備的EMC行為,。由于許多人在家工作,，并且EMC實驗室的成本高昂（每天高達2000美元），因此準確的EMC仿真工具更顯價值,?；◣讉€小時對EMC故障和電路修復情況進行仿真,，有助于避免多次實驗室測試迭代和昂貴的硬件重新設計。

　　為了發(fā)揮作用,，EMC仿真工具需要盡可能準確,。本系列文章會提供一些指南和LTspice EMC電路模型，這些模型經(jīng)過仿真并與實際實驗室測量結(jié)果非常吻合,。

　　這是三篇系列文章的第一部分,，這些文章為一個示例傳感器信號鏈提供了EMC仿真模型，其核心是MEMS振動傳感器,。不過,，許多器件和EMC仿真技術(shù)并非MEMS解決方案所獨有的，而是可以廣泛用于各種應用,。

　　l第1部分：電源器件與傳導輻射和抗擾度,。

　　l第2部分：電纜驅(qū)動收發(fā)器鏈路上的信號完整性和瞬變魯棒性。

　　l第3部分：信號調(diào)理器件及如何提高對外部噪聲的抗擾度,。

　　使用LTspice解決輻射和抗擾度問題

　　閱讀本文后,，您應該能夠回答以下關(guān)鍵問題：

　　（a） 我的系統(tǒng)是否有可能通過EMC測試,？是否應該為共模電感,、濾波電感或電容預留空間？閱讀本文后,，您應該能夠使用LTspice繪制降壓轉(zhuǎn)換器電源設計的差分和共模噪聲圖,，并展示電路超過（失敗）還是未超過（成功）傳導輻射標準限值,，如圖1所示。

　　圖1. 差分和共模噪聲的LTspice圖,，附有傳導輻射限值線

　?。╞） 是否需要線性穩(wěn)壓器來為敏感負載提供穩(wěn)定的電壓？閱讀本文后,，基于設計容許的降壓輸出紋波電壓電平,，您應該能夠使用LTspice了解降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端是否需要LDO穩(wěn)壓器。此外,，本文還提供了一個可配置的電源抗擾度（PSRR）測試電路,。

　　用于傳感器的降壓轉(zhuǎn)換器

　　MEMS振動傳感器通常被置于一個小型金屬外殼中，其直徑通常為20 mm至30 mm,，高度為50 mm至60 mm,。帶有數(shù)字信號鏈的傳感器通常由長電纜提供9 VDC至30 VDC電源，功耗低于300 mW,。為了能放入這種小型外殼內(nèi),，需要高效率,、寬輸入范圍的微型電源解決方案。

　　LT8618 ,、LT8618-3.3 和 LT8604 是緊湊型高速降壓開關(guān)穩(wěn)壓器,，非常適合MEMS傳感器應用。LT8618和LT8618-3.3已有相應的LTspice模型,。LT8618具有良好的穩(wěn)壓能力,，提供非常低的輸出紋波，其峰峰值小于10 mV,。然而,，輸出電容組的寄生電阻和電感會增加這種紋波，導致降壓電路產(chǎn)生有害的傳導輻射,。容性負載,、降壓穩(wěn)壓器的輸出開關(guān)寄生效應以及PCB設計和傳感器外殼之間的耦合電容，都可能引起寄生效應,。

　　提取和使用寄生值

　　接下來介紹工程師如何使用 Würth REDEXPERT 從實際電容中提取ESL和ESR寄生值,，并使用LTspice進行電路仿真。在許多系統(tǒng)的輸入端和輸出端,，電容和電感的寄生效應對EMI性能起著重要作用,。為了降低系統(tǒng)輸出紋波，分離各種寄生貢獻有助于用戶做出最佳選擇,。

　　我們使用LTspice和Würth REDEXPERT流程來討論降壓轉(zhuǎn)換器的傳導輻射仿真,，如圖2所示。對于降壓轉(zhuǎn)換器,，通常來說,，輸出紋波與信噪比（SNR）相關(guān)，而輸入紋波與EMC性能密切相關(guān),。

　　圖2. 使用LTspice進行傳導輻射仿真的流程

　　概述圖2所示的仿真方法之后,，本文將使用 DC2822A LT8618演示板進行實際的實驗室測量和仿真相關(guān)性分析。

　　使用Würth REDEXPERT數(shù)據(jù)的LTspice測試電路

　　降壓轉(zhuǎn)換器的輸出紋波電壓是電容阻抗和電感電流的函數(shù),。為了獲得更好的仿真精度,，可以使用Würth REDEXPERT來選擇4.7μF輸出電容（885012208040），并提取隨頻率變化的ESR和ESL,。ESL和ESR有時會被加載到LTspice電容模型中,，但快速檢查將證明LTspice電容數(shù)據(jù)經(jīng)常會忽略ESL。圖3a和3b顯示了兩個等效電路：（a） 使用4.7 μF輸出電容以及分立的ESL和ESR值,；（b） 使用包含ESR和ESL參數(shù)的Würth電容,。

　　圖3. LTspice測試電路：（a） 使用4.7 μF電容以及分立的ESL和ESR值；（b） 使用包含ESR和ESL參數(shù)的Würth電容

　　REDEXPERT顯示了許多元件的隨頻率而變化的阻抗,，以幫助確定每個無源器件的關(guān)鍵寄生效應,。這些寄生值稍后可以在LTspice模型中實現(xiàn),，從而能夠單獨評估其對總電壓紋波的貢獻。

　　如前所述,，LT8618提供非常低的輸出紋波,，峰峰值小于10 mV。但是,，當模擬容性負載和ESL的影響時,，輸出紋波電壓為44 mV p-p。在頻率范圍內(nèi),，電容ESL對噪聲的貢獻相當大,，如圖4的FFT圖所示。

　　圖4. FFT圖顯示了一個4.7 μF電容的純電容,、ESL和ESR各自對頻譜的貢獻

　　使用LTspice LISN電路評估降壓輸入端的EMI合規(guī)性

　　為了評估傳導設置中的EMC合規(guī)性,，大多數(shù)標準依賴于線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡（LISN）或人工電源網(wǎng)絡（AMN）。這些器件具有類似的功能,，位于電路電源和被測器件（DUT）——這里是降壓轉(zhuǎn)換器——之間,。LISN/AMN由低通和高通濾波器組成。低通濾波器提供從低頻電源（直流至幾百赫茲）到DUT的路徑,。高通濾波器用于測量電源和返回電源線噪聲,。這些電壓是在50 Ω電阻上測量，如圖5和圖61所示,。在實際實驗室中,，該電壓使用EMI接收器來測量。LTspice可用來探測噪聲電壓并繪制傳導輻射測試頻譜圖,。

　　圖5. LISN置于電源和被測器件（DUT）之間

　　圖6. LISN內(nèi)部的共模和差模干擾的表示

　　傳導輻射可分為兩類：共模（CM）噪聲和差模（DM）噪聲,。區(qū)分CM和DM噪聲很重要，因為EMI緩解技術(shù)可能對CM噪聲有效,，但對DM噪聲無效,，反之亦然。由于V1和V2電壓同時輸出,，因此在傳導輻射測試中可以使用LISN來分離CM和DM噪聲，如圖6所示

　　DM噪聲在電源線和返回線之間產(chǎn)生,，而CM噪聲是通過雜散電容CSTRAY在電源線和接地參考平面（例如銅測試臺）之間產(chǎn)生,。CSTRAY實際上模擬了降壓轉(zhuǎn)換器輸出端的開關(guān)噪聲寄生效應。

　　圖6對應的LTspice LISN電路如圖7所示,。為了獲得更高的仿真精度,，使用L5和L6電感來模擬LISN電源引線到測試電路的電感。電阻R10模擬測試板開槽接地層的阻抗,。圖7還包括用于模擬CSTRAY的電容C10,。電容C11模擬傳感器PCB和傳感器機械外殼之間的寄生電容,。

　　圖7. LTspice LISN電路、LT8618降壓轉(zhuǎn)換器和寄生建模

　　運行仿真時,，應設置LTspice以幫助LISN電路更快達到穩(wěn)定狀態(tài),，因為啟動條件選擇錯誤可能導致長期持續(xù)振蕩。

　　確保取消勾選“Start External DC Supply Voltages at Zero”（從零啟動外部直流電源電壓）,，并根據(jù)需要指定電路元件的初始條件（電壓和電流）,。

　　圖8顯示了CM和DM噪聲，使用的是從LISN端子V1和V2測得的LTspice FTT圖,。為了再現(xiàn)圖6所示的算術(shù)運算,，對于DM噪聲，V1和V2相減后乘以0.5,；對于CM噪聲,，V1與V2相加，結(jié)果乘以0.5,。

　　圖8. DM噪聲（黑色）和CM噪聲（藍色）的LTspice FFT圖

　　在實驗室中,，傳導輻射通常以dBV為單位進行測量，而LTspice的默認單位為1 dbV,。兩者之間的關(guān)系為1 dbV = 120 dBV,。

　　因此，DM噪聲（以dBV為單位）的LTspice表達式

　　CM噪聲的表達式為

　　添加傳導輻射限值線

　　LTspice FFT波形查看參數(shù)可以通過繪圖設置文件進行編輯,。使用LTspice FFT菜單,，導航到“Save Plot Settings”（保存繪圖設置）并點擊保存。繪圖設置文件可以使用文本編輯器打開,，并且可以進行操作以添加EN 55022傳導輻射限值線以及相關(guān)的EMC頻率范圍（10 kHz至30 MHz）和幅度（0 dBμV至120 dBμV）,。

　　EN 55022傳導輻射標準頻率和幅度限值可以利用Excel進行操作，以提供正確的語法來復制和粘貼到LTspice繪圖設置文件,，如圖9所示,。線定義可以粘貼到繪圖設置參數(shù)中，如圖10所示,。圖10還顯示了X頻率和Y幅度參數(shù),。

　　圖9. 生成正確的語法以復制并粘貼到LTspice繪圖設置文件

　　10. 添加傳導輻射通過/失敗線定義和頻率/幅度刻度

　　圖11顯示了傳導輻射限值線，以及降壓電路的DM和CM傳導輻射,。電路在2.3MHz至30 MHz頻段內(nèi)未通過輻射測試,。

　　圖11. LTspice FFT圖和EN 55022傳導輻射限值線

　　解決降壓轉(zhuǎn)換器EMI

　　為了降低電路的DM噪聲，可以在輸入軌上放置一個ESL和ESR非常低的電容,，例如C12 22 μF Würth 885012209006,，如圖12所示。

　　圖12. 解決降壓轉(zhuǎn)換器輻射問題

　　為了降低CM噪聲,，可以從LTspice庫中選擇Würth共模扼流圈,，例如250 μH 744235251（WE-CNSW 系列）,。封裝尺寸4.5 mm × 3.2 mm × 2.8 mm非常適合空間受限的MEMS傳感器外殼。圖13顯示了問題解決后的降壓轉(zhuǎn)換器的FFT圖,。

　　圖13. 解決降壓轉(zhuǎn)換器問題后的FFT圖

　　使用DC2822A LT8618演示板的實際實驗室測量和仿真相關(guān)性

　　本文為LTspice進行傳導輻射仿真提供了指導,。這些方法可用于任何降壓轉(zhuǎn)換器電路。現(xiàn)在我們將注意力轉(zhuǎn)向使用DC2822A LT8618演示板的仿真和EMC實驗室相關(guān)性,，如圖14所示,。DC2822A演示板包括多個輸入和輸出電容，這些電容未包含在以前的仿真模型中（例如圖7和圖12）,。圖15中顯示的LTspice模型包括這些電容,，以及使用Würth REDEXPERT獲得的電容ESL和ESR值。

　　圖14. DC2822A LT8618演示板

　　圖15. DC2822A演示板VIN配置對應的LTspice模型

　　DC2822A演示板包括兩個電源輸入：VIN和VEMI,。VIN輸入電源軌繞過了PCB上使用的鐵氧體磁珠,。圖15 LTspice模型對應于演示板VIN配置。圖16顯示了LTspice仿真的FFT,，共模輻射在2 MHz時略微超過傳導輻射限值線,。

　　圖16. DC2822A VIN?配置對應的LTspice FFT圖

　　為了減少仿真時間，并優(yōu)化LTspice仿真與DC2822A演示板實驗室測量的匹配度,，相比之前的模型（圖7和圖12）,，我們對圖15進行了以下更改：

• 無需模擬外殼和PCB之間的100 pF電容。我們只為DC2822A演示板建模,。

• 從一開始就假設這個設計良好的PCB上的開關(guān)噪聲可以忽略不計,。之前，我們在圖7和圖12中估計了5 pF的開關(guān)噪聲,。

• 忽略LISN和DC2822A演示板之間導線的非常小電感,。

• 添加1 kΩ電阻與50 μH LISN電感并聯(lián)以減少仿真時間（縮短LISN建立時間）。

　　對圖15電路進行上述改變之后,，圖17顯示了LTspice仿真與EMC實驗室中DC2822A演示板的實際測量的比較,。LTspice仿真模型非常準確地預測到實際實驗室輻射的主要峰值。

　　圖17. DC2822A VIN配置,，LTspice和實際EMC實驗室輻射的比較

　　通過鐵氧體磁珠（EMI濾波器）VEMI軌測量,，DC2822A演示板輕松符合60 dBμV的傳導輻射限值線。事實上,，在較低頻率時,，DC2822A演示板只有30 dBμV至35 dBμV的輻射。

　　傳導抗擾度

　　有線狀態(tài)監(jiān)控傳感器具有嚴格的抗擾度要求,。對于鐵路、自動化和重工業(yè)（例如紙漿和紙張加工）的狀態(tài)監(jiān)控,，振動傳感器解決方案需要輸出低于1 mV的噪聲,，以避免在數(shù)據(jù)采集/控制器處觸發(fā)錯誤的振動水平,。這意味著電源設計向測量電路（MEMS信號鏈）輸出的噪聲必須非常低（低輸出紋波）。電源設計還必須不受耦合到電源電纜的噪聲的影響（高PSRR）,。

　　如前所示,，由于非理想的容性負載和突發(fā)操作，LT8618可能有數(shù)十毫伏的輸出紋波,。對于MEMS傳感器應用,，LT8618的輸出端需要一個超低噪聲和高PSRR的LDO穩(wěn)壓器，例如 LT3042 ,。

　　針對抗擾度（PSRR）的靈活仿真電路

　　圖18所示的LTspice電路可用來仿真LT3042的PSRR,。圖18所示的時域瞬變模型是交流掃描方法的替代方法。這種時域模型比交流方法更靈活,，甚至允許用戶對開關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR進行仿真,。仿真電路頻率掃描電壓輸入軌的變化，并模擬輸出電壓的相應變化,。換句話說,，仿真評估如下方程：PSRRLT3042 = 頻率范圍內(nèi)（VIN變化）/（VOUT變化）。

　　圖18. 在10 kHz至80 MHz范圍內(nèi)仿真LT3042 LDO穩(wěn)壓器的PSRR

　　圖18含有幾個強大的語句,。,。meas和。step語句的組合使用戶能夠在LDO輸入端添加電壓噪聲源,，并在頻率范圍內(nèi)測量電壓輸入階躍變化情況下的LDO PSRR,。

　　.meas語句

　　允許用戶在一個時間范圍內(nèi)測量信號的峰峰值并將其輸出到SPICE錯誤日志。圖18測量了輸入和輸出紋波,，并計算測量數(shù)據(jù)的PSRR,。所有這些都輸出到SPICE錯誤日志中。

　　.step語句

　　在單次仿真運行中,，,。step命令可用于掃描變量的一系列值。圖18中的,。step語句在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)階躍改變V2電壓源正弦波,。

　　C2輸出電容初始電壓可設置為3.3V，以加快建立（和仿真）時間,。這是通過編輯電容屬性來完成的,，通過禁用LTspice中的“Start External DC Supply Voltage at 0 V”選項可以進一步加快速度。

　　使用SPICE錯誤日志

　　仿真完成后,，右鍵單擊其中一個窗口,，選擇查看并選擇SPICE錯誤日志（或使用Ctrl+L熱鍵）。SPICE錯誤日志包含。meas語句的數(shù)據(jù)點,。

　　要繪制,。meas數(shù)據(jù)圖，請右鍵單擊錯誤日志并選擇繪制階躍,。meas數(shù)據(jù),，右鍵單擊空白屏幕以選擇“Add Trace”（添加跡線，或使用Ctrl+A）并選擇PSRR,。右鍵單擊x軸,，選中單選按鈕以顯示對數(shù)刻度。這將顯示PSRR隨頻率的變化,，如圖19所示,。

　　原始LT3042數(shù)據(jù)手冊曲線中的一些偽影不可見（約2 MHz），但整體形狀和值與數(shù)據(jù)手冊接近,。

　　圖20顯示了頻率范圍內(nèi)的輸出電壓紋波,。在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)，它小于200 μV,。在相同頻率范圍內(nèi),，輸入電壓紋波為1 V p-p。LT3042為噪聲敏感的MEMS解決方案提供了出色的PSRR和低噪聲電源,。

　　圖20. 繪制LT3042仿真輸出電壓紋波隨頻率的變化圖

　　使用SPICE錯誤日志的,。meas方法可用來仿真許多其他參數(shù)，包括：

• 開關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR

• PSRR,、電壓差與頻率三者的關(guān)系

• PSRR與旁路網(wǎng)絡的關(guān)系

• RMS輸出紋波與直流輸入的關(guān)系

• 效率與元件值的關(guān)系

　　小結(jié)

　　本文提供了LTspice仿真電路和方法,，用以繪制降壓轉(zhuǎn)換器電源設計的差分和共模噪聲圖。本文讓用戶能夠繪制傳導輻射限值線,，并幫助預測EMC實驗室故障,。仿真方 法通過實驗室測量得到驗證，與LT8618 DC2822A演示板實測結(jié)果匹配,。

　　在LT8618降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端使用LT3042 LDO穩(wěn)壓器,，可為MEMS傳感器應用提供超低噪聲、高PSRR解決方案,。針對PSRR的靈活仿真電路表明結(jié)果與LT3042數(shù)據(jù)手冊有良好的一致性,。在50 Hz至10 MHz范圍內(nèi)，即使存在較大的1 V p-p輸入電壓噪聲,，LT3042的仿真輸出紋波也小于200μV,。

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