摘要

随着物联网互联设备和5G连接等技术创新成为我们日常生活的一部分，监管这些设备的电磁辐射并量化其EMI抗扰度的需求也随之增加。满足EMC合规目标通常是一项复杂的工作。本文介绍如何通过开源LTspice®仿真电路来回答以下关键问题：(a) 我的系统能否通过EMC测试，或者是否需要增加缓解技术？(b) 我的设计对外部环境噪声的抗扰度如何？

为何要使用LTspice进行EMC仿真？

针对EMC的设计应该尽可能遵循产品发布日程表，但事实往往并非如此，因为EMC问题和实验室测试可能将产品发布延迟数月。

通常，仿真侧重于电子设备的功能方面；但是，诸如 LTspice 之类简单的开源工具也可以用来仿真任何设备的EMC行为。由于许多人在家工作，并且EMC实验室的成本高昂（每天高达2000美元），因此准确的EMC仿真工具更显价值。花几个小时对EMC故障和电路修复情况进行仿真，有助于避免多次实验室测试迭代和昂贵的硬件重新设计。

为了发挥作用，EMC仿真工具需要尽可能准确。本系列文章会提供一些指南和LTspice EMC电路模型，这些模型经过仿真并与实际实验室测量结果非常吻合。

这是三篇系列文章的第一部分，这些文章为一个示例传感器信号链提供了EMC仿真模型，其核心是MEMS振动传感器。不过，许多器件和EMC仿真技术并非MEMS解决方案所独有的，而是可以广泛用于各种应用。

使用LTspice解决辐射和抗扰度问题

阅读本文后，您应该能够回答以下关键问题：

(a) 我的系统是否有可能通过EMC测试？是否应该为共模电感、滤波电感或电容预留空间？阅读本文后，您应该能够使用LTspice绘制降压转换器电源设计的差分和共模噪声图，并展示电路超过（失败）还是未超过（成功）传导辐射标准限值，如图1所示。

图1. 差分和共模噪声的LTspice图，附有传导辐射限值线

(b) 是否需要线性稳压器来为敏感负载提供稳定的电压？阅读本文后，基于设计容许的降压输出纹波电压电平，您应该能够使用LTspice了解降压转换器的输出端是否需要LDO稳压器。此外，本文还提供了一个可配置的电源抗扰度(PSRR)测试电路。

用于传感器的降压转换器

MEMS振动传感器通常被置于一个小型金属外壳中，其直径通常为20 mm至30 mm，高度为50 mm至60 mm。带有数字信号链的传感器通常由长电缆提供9 VDC至30 VDC电源，功耗低于300 mW。为了能放入这种小型外壳内，需要高效率、宽输入范围的微型电源解决方案。

LT8618、LT8618-3.3 和 LT8604 是紧凑型高速降压开关稳压器，非常适合MEMS传感器应用。LT8618和LT8618-3.3已有相应的LTspice模型。LT8618具有良好的稳压能力，提供非常低的输出纹波，其峰峰值小于10 mV。然而，输出电容组的寄生电阻和电感会增加这种纹波，导致降压电路产生有害的传导辐射。容性负载、降压稳压器的输出开关寄生效应以及PCB设计和传感器外壳之间的耦合电容，都可能引起寄生效应。

提取和使用寄生值

接下来介绍工程师如何使用 Würth REDEXPERT 从实际电容中提取ESL和ESR寄生值，并使用LTspice进行电路仿真。在许多系统的输入端和输出端，电容和电感的寄生效应对EMI性能起着重要作用。为了降低系统输出纹波，分离各种寄生贡献有助于用户做出最佳选择。

我们使用LTspice和Würth REDEXPERT流程来讨论降压转换器的传导辐射仿真，如图2所示。对于降压转换器，通常来说，输出纹波与信噪比(SNR)相关，而输入纹波与EMC性能密切相关。

图2. 使用LTspice进行传导辐射仿真的流程

概述图2所示的仿真方法之后，本文将使用 DC2822A LT8618演示板进行实际的实验室测量和仿真相关性分析。

使用Würth REDEXPERT数据的LTspice测试电路

降压转换器的输出纹波电压是电容阻抗和电感电流的函数。为了获得更好的仿真精度，可以使用Würth REDEXPERT来选择4.7 µF输出电容(885012208040)，并提取随频率变化的ESR和ESL。ESL和ESR有时会被加载到LTspice电容模型中，但快速检查将证明LTspice电容数据经常会忽略ESL。图3a和3b显示了两个等效电路：(a) 使用4.7 µF输出电容以及分立的ESL和ESR值；(b) 使用包含ESR和ESL参数的Würth电容。

图3. LTspice测试电路：(a) 使用4.7 μF电容以及分立的ESL和ESR值；(b) 使用包含ESR和ESL参数的Würth电容

REDEXPERT显示了许多元件的随频率而变化的阻抗，以帮助确定每个无源器件的关键寄生效应。这些寄生值稍后可以在LTspice模型中实现，从而能够单独评估其对总电压纹波的贡献。

如前所述，LT8618提供非常低的输出纹波，峰峰值小于10 mV。但是，当模拟容性负载和ESL的影响时，输出纹波电压为44 mV p-p。在频率范围内，电容ESL对噪声的贡献相当大，如图4的FFT图所示。

图4. FFT图显示了一个4.7 μF电容的纯电容、ESL和ESR各自对频谱的贡献

使用LTspice LISN电路评估降压输入端的EMI合规性

为了评估传导设置中的EMC合规性，大多数标准依赖于线路阻抗稳定网络(LISN)或人工电源网络(AMN)。这些器件具有类似的功能，位于电路电源和被测器件(DUT)——这里是降压转换器——之间。LISN/AMN由低通和高通滤波器组成。低通滤波器提供从低频电源（直流至几百赫兹）到DUT的路径。高通滤波器用于测量电源和返回电源线噪声。这些电压是在50 Ω电阻上测量，如图5和图61所示。在实际实验室中，该电压使用EMI接收器来测量。LTspice可用来探测噪声电压并绘制传导辐射测试频谱图。

图5. LISN置于电源和被测器件(DUT)之间

图6. LISN内部的共模和差模干扰的表示

传导辐射可分为两类：共模(CM)噪声和差模(DM)噪声。区分CM和DM噪声很重要，因为EMI缓解技术可能对CM噪声有效，但对DM噪声无效，反之亦然。由于V1和V2电压同时输出，因此在传导辐射测试中可以使用LISN来分离CM和DM噪声，如图6所示

DM噪声在电源线和返回线之间产生，而CM噪声是通过杂散电容CSTRAY在电源线和接地参考平面（例如铜测试台）之间产生。CSTRAY实际上模拟了降压转换器输出端的开关噪声寄生效应。

图6对应的LTspice LISN电路如图7所示。为了获得更高的仿真精度，使用L5和L6电感来模拟LISN电源引线到测试电路的电感。电阻R10模拟测试板开槽接地层的阻抗。图7还包括用于模拟CSTRAY的电容C10。电容C11模拟传感器PCB和传感器机械外壳之间的寄生电容。

图7. LTspice LISN电路、LT8618降压转换器和寄生建模

运行仿真时，应设置LTspice以帮助LISN电路更快达到稳定状态，因为启动条件选择错误可能导致长期持续振荡。

确保取消勾选"Start External DC Supply Voltages at Zero"（从零启动外部直流电源电压），并根据需要指定电路元件的初始条件（电压和电流）。

图8显示了CM和DM噪声，使用的是从LISN端子V1和V2测得的LTspice FTT图。为了再现图6所示的算术运算，对于DM噪声，V1和V2相减后乘以0.5；对于CM噪声，V1与V2相加，结果乘以0.5。

图8. DM噪声（黑色）和CM噪声（蓝色）的LTspice FFT图

在实验室中，传导辐射通常以dBµV为单位进行测量，而LTspice的默认单位为1 dbV。两者之间的关系为1 dbV = 120 dBµV。点此阅读完整内容。