高開關頻率是在電源轉換技術發展過程中促進尺寸減小的主要因素。為了符合相關法規，通常需要采用電磁干擾(EMI)濾波器，而該濾波器通常在系統總體尺寸和體積中占據很大一部分，因此了解高頻轉換器的EMI特性至關重要。

簡介

高開關頻率是在電源轉換技術發展過程中促進尺寸減小的主要因素。為了符合相關法規，通常需要采用電磁干擾(EMI)濾波器，而該濾波器通常在系統總體尺寸和體積中占據很大一部分，因此了解高頻轉換器的EMI特性至關重要。

在本系列文章的第2部分，您將了解差模(DM)和共模(CM)傳導發射噪聲分量的噪聲源和傳播路徑，從而深入了解DC/DC轉換器的傳導EMI特性。本部分將介紹如何從總噪聲測量結果中分離出DM/CM噪聲，并將以升壓轉換器為例，重點介紹適用于汽車應用的主要CM噪聲傳導路徑。

DM和CM傳導干擾

DM和CM信號代表兩種形式的傳導發射。DM電流通常稱為對稱模式信號或橫向信號，而CM電流通常稱為非對稱模式信號或縱向信號。圖1顯示了同步降壓和升壓DC/DC拓撲中的DM和CM電流路徑。Y電容CY1和CY2分別從正負電源線連接到GND，輕松形成了完整的CM電流傳播路徑[1]。

圖1：同步降壓(a)和升壓(b)轉換器DM和CM傳導噪聲路徑。

DM傳導噪聲

DM噪聲電流(IDM)由轉換器固有開關動作產生，并在正負電源線L1和L2中以相反方向流動。DM傳導發射為電流驅動型，與開關電流(di/dt)、磁場和低阻抗相關。DM噪聲通常在較小的回路區域流動，返回路徑封閉且緊湊。

例如，在連續導通模式(CCM)下，降壓轉換器會產生一種梯形電流，且這種電流中諧波比較多。這些諧波在電源線上會表現為噪聲。降壓轉換器的輸入電容（圖1中的CIN）有助于濾除這些高階電流諧波，但由于電容的非理想寄生特性（等效串聯電感(ESL)和等效串聯電阻(ESR)），有些諧波難免會以DM噪聲形式出現在電源電流中，即使在添加實用的EMI輸入濾波器級之后也于事無補。

CM傳導噪聲

另一方面，CM噪聲電流(ICM)會流入接地GND線并通過L1和L2電源線返回。CM傳導發射為電壓驅動型，與高轉換率電壓(dv/dt)、電場和高阻抗相關。在非隔離式DC/DC開關轉換器中，由于SW節點處的dv/dt較高，產生了CM噪聲，從而導致產生位移電流。該電流通過與MOSFET外殼、散熱器和SW節點走線相關的寄生電容耦合到GND系統。與轉換器輸入或輸出端的接線較長相關的耦合電容也可能構成CM噪聲路徑。

圖1中的CM電流通過輸入EMI濾波器的Y電容（CY1和CY2）返回。另一條返回路徑為，通過LISN裝置（在本系列文章的第1部分中討論過）的50測量阻抗返回，這顯然是不合需要的。盡管CM電流的幅值遠小于DM電流，但相對來說更難以處理，因為它通常在較大的傳導回路區域流動，如同天線一般，可能增加輻射EMI。

圖2顯示了Fly-Buck（隔離式降壓）轉換器的DM和CM傳導路徑。CM電流通過變壓器T1的集總繞組間電容（圖2中的CPS）流到二次側，并通過接地GND連接返回。圖2還顯示了CM傳播的簡化等效電路。

圖2：Fly-Buck隔離式轉換器DM和CM傳導噪聲傳播路徑(a)；CM等效電路(b)。

在實際的轉換器中，以下元件寄生效應均會影響電壓和電流波形以及CM噪聲：

MOSFET輸出電容(COSS)。

整流二極管結電容(CD)。

主電感繞組的等效并聯電容(EPC)。

輸入和輸出電容的等效串聯電感(ESL)。

相關內容，我將在第3部分中進一步詳細介紹。

噪聲源和傳播路徑

正如第1部分所述，測量DC/DC轉換器傳導發射（對于CISPR32標準，規定帶寬范圍為150kHz至30MHz；對于CISPR25標準，則規定頻率范圍為更寬的150kHz至108MHz）時，測量的是每條電源線上50LISN電阻兩端相對于接地GND的總噪聲電壓或非對稱干擾[1]。

圖3顯示了EMI噪聲的產生、傳播和測量模型[1]。噪聲源電壓用VN表示，噪聲源和傳播路徑阻抗分別用ZS和ZP表示。LISN和EMI接收器的高頻等效電路僅為兩個50電阻。圖3還顯示了相應的DM和CM噪聲電壓VDM和VCM，它們由兩條電源線的總噪聲電壓V1和V2計算得出。DM（或對稱）電壓分量定義為V1和V2矢量差的一半；而CM（或非對稱）電壓分量定義為V1和V2矢量和的一半[2]。請注意，本文提供的VDM通用定義與CISPR16標準規定的值相比，可能存在6dB的偏差。

圖3：傳導EMI發射模型，其中顯示了噪聲源電壓、噪聲傳播路徑和LISN等效電路。

CM噪聲源阻抗主要是容性阻抗，并且ZCM隨頻率的增大而減小。而DM噪聲源阻抗通常為阻性和感性阻抗，并且ZDM隨頻率的增大而增大。

要降低傳導噪聲水平，確保噪聲源本身產生較少的噪聲是其中的一種方法。對于噪聲傳播路徑，可以通過濾波或其他方法調整阻抗，從而減小相應的電流。例如，要降低降壓或升壓轉換器中的CM噪聲，需要降低SW節點dv/dt（噪聲源）、通過減小接地寄生電容來增大阻抗、或者使用Y電容和/或CM扼流器進行濾波。本系列文章的第4部分將詳細介紹EMI抑制技術分類。

DM和CMEMI濾波

無源EMI濾波是最常用的EMI噪聲抑制方法。顧名思義，這類濾波器僅采用無源元件。將這類濾波器設計用于電力電子設備時特別具有挑戰性，因為濾波器端接的噪聲源（開關轉換器）和負載（電線線）阻抗是不斷變化的[2][3]。

圖4a顯示了傳統的p型EMI輸入濾波器，以及整流和瞬態電壓鉗位功能（為直流/交流輸入供電的DC/DC轉換器提供EMC保護）。此外，圖4還包括本系列文章第1部分中的LISN高頻等效電路。

圖4：傳統的EMC輸入濾波器(a)，包括DM等效電路(b)和CM等效電路(c)。

典型EMI濾波器的兩個CM繞組相互耦合，這兩個繞組的CM電感分別為LCM1和LCM2。DM電感LDM1和LDM2分別是兩個耦合的CM繞組的漏電感，并且還可能包括分立的DM電感。CX1和CX2為DM濾波器電容，而CY1和CY2為CM濾波器電容。

通過將EMI濾波器去耦為DM等效電路和CM等效電路，可簡化其設計。然后，可以分別分析濾波器的DM和CM衰減。去耦基于這樣的假設，即EMI濾波器具有完美對稱的電路結構。在實現的對稱濾波器中，假設LCM1=LCM2=LCM，CY1=CY2=CY，LDM1=LDM2=LDM，并且印刷電路板(PCB)布局也完美對稱。DM等效電路和CM等效電路分別如圖4b和圖4c所示[4]。

但是，嚴格來說，實際情況下并不存在完美對稱，因此DM和CM濾波器并不能完全去耦。而結構不對稱可能導致DM噪聲轉變成CM噪聲，或者CM噪聲轉變成DM噪聲。通常，與轉換器噪聲源和EMI濾波器參數相關的不平衡性可能導致這種模式轉變[5]。

DM和CM噪聲分離

傳導EMI的初始測量結果通常顯示EMI濾波器衰減不足。為了獲得適當的EMI濾波器設計，必須獨立研究待測設備(EUT)產生的傳導發射的DM和CM噪聲電壓分量。

將DM和CM分開處理有助于確定相關EMI源并對其進行故障排除，從而簡化EMI濾波器設計流程。正如我在上一部分強調的那樣，EMI濾波器采用了截然不同的濾波器元件來抑制DM和CM發射。在這種情況下，一種常見的診斷檢查方法是將傳導噪聲分離為DM噪聲電壓和CM噪聲電壓。

圖5顯示了無源和有源兩種實現形式的DM/CM分離器電路，該電路有助于直接同時測量DM和CM發射。圖5a中的無源分離器電路[4]使用寬帶RF變壓器（如Coilcraft的SWB1010系列）在EMI覆蓋的頻率范圍內實現可接受的分離結果，其中T1和T2的特征阻抗(ZO)分別為50和100。將一個50的電阻與DM輸出端口的頻譜分析儀的輸入阻抗串聯，實現圖3中提供的VDM表達式的除2功能。

圖5：實現的用于分離DM/CM噪聲的無源(a)和有源(b)電路。

圖5b展示的是使用低噪聲、高帶寬運算放大器的有源分離器電路[6]。U1和U2實現了LISN輸出的理想輸入阻抗矩陣，而U3和U4分別提供CM和DM電壓。LCM是一個CM線路濾波器（例如WuumlrthElektronik744222），位于差分放大器U4的輸入端，用于增大DM結果的CM抑制比（共模抑制比[CMRR]-yendB）并最大限度地減少CM/DM交叉耦合。

實際電路示例-汽車同步升壓轉換器

考慮圖6中所示的同步升壓轉換器。該電路在汽車應用中很常見，通常作為預升壓穩壓器在冷啟動或瞬態欠壓條件下保持電池電壓供應[7]。

圖6：汽車同步升壓轉換器（采用50/5HLISN，用于CISPR25EMI測試）。

在車輛底盤接地端直接連接一個MOSFET散熱器，可以提高轉換器的熱性能和可靠性，但共模EMI性能會受到影響。圖6所示的原理圖中，包含升壓轉換器以及CISPR25建議采用的兩個LISN電路（分別連接在L1和L2輸入線上）。

考慮到升壓轉換器的CM噪聲傳播路徑，圖7將MOSFETQ1和Q2替換為等效的交流電壓流和電流源[8]。圖7中，還呈現了與升壓電感LF、輸入電容CIN和輸出電容COUT相關的寄生分量部分。特別是CRL-GND，它是負載電路與底盤GND之間的寄生電容，包括長負載線和布線以及下游負載配置（例如，二次側輸出連接到底盤接地的隔離式轉換器，或者用大型金屬外殼固定到底盤上的電機驅動系統）所產生的寄生電容。

圖7：具有LISN的同步升壓拓撲的高頻等效電路。只有在LISN中流動的CM電流路徑與CM發射測量相關。

漏源開關（SW節點）電壓的上升沿和下降沿代表主要的CM噪聲源。CP1和CP2分別代表SW與底盤之間以及SW與散熱器之間的有效寄生電容。圖8顯示了SW節點電容（電場）耦合為主要CM傳播路徑時簡化的CM噪聲等效電路。

圖8：連有LISN的同步升壓電路及其簡化CM等效電路。

總結

對于電力電子工程師而言，了解各種電源級拓撲中DM和CM電流的相關傳播路徑（包括與高dv/dt和di/dt開關相關的電容（電場）和電感（磁場）耦合）非常重要。在EMI測試過程中，將DM和CM發射分開處理有助于對相關EMI源進行故障排除，從而簡化EMI濾波器設計流程。