如何用 LTspice 獲得優異EMC 模擬結果第 1 部分

摘要

隨著物聯網互連裝置和 5G 連接等技術創新成為我們日常生活的一部分，監管這些裝置的電磁輻射並量化其 EMI 抗擾度的需求也隨之增加。滿足 EMC 合規目標通常是一項複雜的工作。本文介紹如何透過開源 LTspice® 模擬電路來回答以下關鍵問題：(a) 我的系統能否通過 EMC 測試，或者是否需要增加緩解技術？(b) 我的設計對外部環境雜訊的抗擾度如何？

為何要使用 LTspice 進行 EMC 模擬？

針對 EMC 的設計應該盡可能遵循產品發布時程表，但事實往往並非如此，因為 EMC 問題和實驗室測試可能將產品發布延遲數月。

通常，模擬側重於電子設備的功能方面；但是，諸如 LTspice 之類簡單的開源工具也可以用來模擬任何裝置的 EMC 行為。由於許多人在家工作，並且 EMC 實驗室的成本高昂（每天高達 2000 美元），因此準確的 EMC 模擬工具更顯價值。花幾個小時對 EMC 故障和電路修復情況進行模擬，有助於避免多次實驗室測試迭代和昂貴的硬體重新設計。

為了發揮作用，EMC 模擬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，這些模型經過模擬並與實際實驗室測量結果非常吻合。

這是三篇系列文章的第一部分，這些文章為一個範例感測器訊號鏈提供了 EMC 模擬模型，其核心是 MEMS 振動感測器。不過，許多元件和 EMC 模擬技術並非 MEMS 解決方案所獨有的，而是可以廣泛用於各種應用。

  • 第 1 部分：電源元件與傳導輻射和抗擾度。

  • 第 2 部分：電纜驅動收發器鏈路上的訊號完整性和瞬變穩健性。

  • 第 3 部分：訊號調節元件及如何提高對外部雜訊的抗擾度。

使用 LTspice 解決輻射和抗擾度問題

閱讀本文後，您應該能夠回答以下關鍵問題：

(a) 我的系統是否有可能通過 EMC 測試？是否應該為共模電感、濾波電感或電容預留空間？ 閱讀本文後，您應該能夠使用 LTspice 繪製降壓轉換器電源設計的差模和共模雜訊圖，並展示電路超過（失敗）還是未超過（成功）傳導輻射標準限值，如圖 1 所示。

圖 1. 差模和共模雜訊的 LTspice圖，附有傳導輻射限值線

(b) 是否需要線性穩壓器來為敏感負載提供穩定的電壓？ 閱讀本文後，基於設計容許的降壓輸出漣波電壓準位，您應該能夠使用 LTspice 了解降壓轉換器的輸出端是否需要 LDO 穩壓器。此外，本文還提供了一個可配置的電源抗擾度 (PSRR) 測試電路。

用於感測器的降壓轉換器

MEMS 振動感測器通常被置於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。帶有數位訊號鏈的感測器通常由長電纜提供 9 VDC 至 30 VDC 電源，功耗低於 300 mW。為了能放入這種小型外殼內，需要高效率、寬輸入範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穩壓器，非常適合 MEMS 感測器應用。LT8618 和 LT8618-3.3 已有相應的 LTspice 模型。LT8618 具有良好的穩壓能力，提供非常低的輸出漣波，其峰對峰值小於 10 mV。然而，輸出電容組的寄生電阻和電感會增加這種漣波，導致降壓電路產生有害的傳導輻射。電容性負載、降壓穩壓器的輸出開關寄生效應以及 PCB 設計和感測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，並使用 LTspice 進行電路模擬。在許多系統的輸入端和輸出端，電容和電感的寄生效應對 EMI 性能起著重要作用。為了降低系統輸出漣波，分離各種寄生貢獻有助於使用者做出最佳選擇。

我們使用 LTspice 和 Würth REDEXPERT 流程來討論降壓轉換器的傳導輻射模擬，如圖 2 所示。對於降壓轉換器，通常來說，輸出漣波與訊噪比 (SNR) 相關，而輸入漣波與 EMC 性能密切相關。

圖 2. 使用 LTspice 進行傳導輻射模擬的流程

概述圖 2 所示的模擬方法之後，本文將使用 DC2822A LT8618 展示板進行實際的實驗室測量和模擬相關性分析。

使用 Würth REDEXPERT 數據的 LTspice 測試電路

降壓轉換器的輸出漣波電壓是電容阻抗和電感電流的函數。為了獲得更好的模擬精度，可以使用 Würth REDEXPERT 來選擇 4.7 µF 輸出電容 (885012208040)，並提取隨頻率變化的 ESR 和 ESL。ESL 和 ESR 有時會被載入到 LTspice 電容模型中，但快速檢查將證明 LTspice 電容數據經常會忽略 ESL。圖 3a 和 3b 顯示了兩個等效電路：(a) 使用 4.7 µF 輸出電容以及分離的 ESL 和 ESR 值；(b) 使用包含 ESR 和 ESL 參數的 Würth 電容。

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

REDEXPERT 顯示了許多元件的隨頻率而變化的阻抗，以幫助確定每個被動元件的關鍵寄生效應。這些寄生值稍後可以在 LTspice 模型中實現，從而能夠單獨評估其對總電壓漣波的貢獻。

如前所述，LT8618 提供非常低的輸出漣波，峰對峰值小於 10 mV。但是，當模擬電容性負載和 ESL 的影響時，輸出漣波電壓為 44 mV p-p。在頻率範圍內，電容 ESL 對雜訊的貢獻相當大，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 合規性

為了評估傳導設置中的 EMC 合規性，大多數標準依賴於電源阻抗穩定網路 (LISN) 或人工電源網路 (AMN)。這些裝置具有類似的功能，位於電路電源和待測物 (DUT)——這裡是降壓轉換器——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。高通濾波器用於測量電源和返回電源線雜訊。這些電壓是在 50 Ω 電阻上測量，如圖 5 和圖 6 所示。在實際實驗室中，該電壓使用 EMI 接收器來測量。LTspice 可用來探測雜訊電壓並繪製傳導輻射測試頻譜圖。

圖 5. LISN 置於電源和待測物 (DUT) 之間

圖 6. LISN 內部的共模和差模干擾的表示

傳導輻射可分為兩類：共模 (CM) 雜訊和差模 (DM) 雜訊。區分 CM 和 DM 雜訊很重要，因為 EMI 緩解技術可能對 CM 雜訊有效，但對 DM 雜訊無效，反之亦然。由於 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 雜訊，如圖 6 所示。

DM 雜訊在電源線和返回線之間產生，而 CM 雜訊是透過雜散電容 $C_{STRAY}$ 在電源線和接地參考平面（例如銅測試台）之間產生。$C_{STRAY}$ 實際上模擬了降壓轉換器輸出端的開關雜訊寄生效應。

圖 6 對應的 LTspice LISN 電路如圖 7 所示。為了獲得更高的模擬精度，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 還包括用於模擬 $C_{STRAY}$ 的電容 C10。電容 C11 模擬感測器 PCB 和感測器機械外殼之間的寄生電容。

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

執行模擬時，應設定 LTspice 以幫助 LISN 電路更快達到穩定狀態，因為啟動條件選擇錯誤可能導致長期持續振盪。

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），並根據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 雜訊，使用的是從 LISN 端子 V1 和 V2 測得的 LTspice FTT 圖。為了再現圖 6 所示的算術運算，對於 DM 雜訊，V1 和 V2 相減後乘以 0.5；對於 CM 雜訊，V1 與 V2 相加，結果乘以 0.5。

圖 8. DM 雜訊（黑色）和 CM 雜訊（藍色）的 LTspice FFT 圖

在實驗室中，傳導輻射通常以 $dB\mu V$ 為單位進行測量，而 LTspice 的預設單位為 $1\ dBV$。兩者之間的關係為 $1\ dBV = 120\ dB\mu V$。

因此，DM 雜訊（以 $dB\mu V$ 為單位）的 LTspice 表達式為：

Equation 1

CM 雜訊的表達式為：

Equation 2

添加傳導輻射限值線

LTspice FFT 波形檢視參數可以透過繪圖設定檔進行編輯。使用 LTspice FFT 選單，導航到 "Save Plot Settings"（儲存繪圖設定）並點擊儲存。繪圖設定檔可以使用文字編輯器開啟，並且可以進行操作以添加 EN 55022 傳導輻射限值線以及相關的 EMC 頻率範圍（10 kHz 至 30 MHz）和振幅（0 dBµV 至 120 dBµV）。

EN 55022 傳導輻射標準頻率和振幅限值可以利用 Excel 進行操作，以提供正確的語法來複製和貼上到 LTspice 繪圖設定檔，如圖 9 所示。線定義可以貼上到繪圖設定參數中，如圖 10 所示。圖 10 還顯示了 X 頻率和 Y 振幅參數。

圖 9. 生成正確的語法以複製並貼上到 LTspice 繪圖設定檔

圖 10. 添加傳導輻射通過/失敗線定義和頻率/振幅刻度

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 2.3 MHz 至 30 MHz 頻段內未通過輻射測試。

圖 11. LTspice FFT 圖和 EN 55022 傳導輻射限值線

解決降壓轉換器 EMI

為了降低電路的 DM 雜訊，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. 解決降壓轉換器輻射問題

為了降低 CM 雜訊，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 感測器外殼。圖 13 顯示了問題解決後的降壓轉換器的 FFT 圖。

圖 13. 解決降壓轉換器問題後的 FFT 圖

使用 DC2822A LT8618 展示板的實際實驗室測量和模擬相關性

本文為 LTspice 進行傳導輻射模擬提供了指導。這些方法可用於任何降壓轉換器電路。現在我們將注意力轉向使用 DC2822A LT8618 展示板的模擬和 EMC 實驗室相關性，如圖 14 所示。DC2822A 展示板包括多個輸入和輸出電容，這些電容未包含在以前的模擬模型中（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 展示板

圖 15. DC2822A 展示板 VIN 配置對應的 LTspice 模型

DC2822A 展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 模型對應於展示板 VIN 配置。圖 16 顯示了 LTspice 模擬的 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

為了減少模擬時間，並最佳化 LTspice 模擬與 DC2822A 展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 展示板建模。

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

  • 忽略 LISN 和 DC2822A 展示板之間導線的非常小電感。

  • 添加 1 kΩ 電阻與 50 µH LISN 電感並聯以減少模擬時間（縮短 LISN 建立時間）。

對圖 15 電路進行上述改變之後，圖 17 顯示了 LTspice 模擬與 EMC 實驗室中 DC2822A 展示板的實際測量的比較。LTspice 模擬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

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

傳導抗擾度

有線狀態監控感測器具有嚴格的抗擾度要求。對於鐵路、自動化和重工業（例如紙漿和紙張加工）的狀態監控，振動感測器解決方案需要輸出低於 1 mV 的雜訊，以避免在數據採集/控制器處觸發錯誤的振動水準。這意味著電源設計向測量電路（MEMS 訊號鏈）輸出的雜訊必須非常低（低輸出漣波）。電源設計還必須不受耦合到電源電纜的雜訊的影響（高 PSRR）。

如前所示，由於非理想的電容性負載和叢發操作，LT8618 可能有數十毫伏的輸出漣波。對於 MEMS 感測器應用，LT8618 的輸出端需要一個超低雜訊和高 PSRR 的 LDO 穩壓器，例如 LT3042。

針對抗擾度 (PSRR) 的靈活模擬電路

圖 18 所示的 LTspice 電路可用來模擬 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，甚至允許使用者對開關穩壓器的 PSRR 進行模擬。模擬電路頻率掃描電壓輸入軌的變化，並模擬輸出電壓的相應變化。換句話說，模擬評估如下方程式：$PSRR_{LT3042}$ = 頻率範圍內 (V_{IN} 變化)/(V_{OUT} 變化)。

圖 18. 在 10 kHz 至 80 MHz 範圍內模擬 LT3042 LDO 穩壓器的 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 輸入端添加電壓雜訊源，並在頻率範圍內測量電壓輸入階躍變化情況下的 LDO PSRR。

.meas 語句

允許使用者在一個時間範圍內測量訊號的峰對峰值並將其輸出到 SPICE 錯誤日誌。圖 18 測量了輸入和輸出漣波，並計算測量數據的 PSRR。所有這些都輸出到 SPICE 錯誤日誌中。

.step 語句

在單次模擬運行中，.step 命令可用於掃描變數的一系列值。圖 18 中的 .step 語句在 50 Hz 至 10 MHz 範圍內階躍改變 V2 電壓源正弦波。

C2 輸出電容初始電壓可設定為 3.3V，以加快建立（和模擬）時間。這是透過編輯電容屬性來完成的，透過禁用 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 錯誤日誌

模擬完成後，右鍵點擊其中一個視窗，選擇檢視並選擇 SPICE 錯誤日誌（或使用 Ctrl+L 熱鍵）。SPICE 錯誤日誌包含 .meas 語句的數據點。

要繪製 .meas 數據圖，請右鍵點擊錯誤日誌並選擇繪製階躍 .meas 數據，右鍵點擊空白螢幕以選擇 "Add Trace"（添加軌跡，或使用 Ctrl+A）並選擇 PSRR。右鍵點擊 x 軸，選中單選按鈕以顯示對數刻度。這將顯示 PSRR 隨頻率的變化，如圖 19 所示。

圖 19. 繪製 LT3042 LDO 穩壓器的模擬 PSRR 圖

原始 LT3042 數據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據手冊接近。

圖 20 顯示了頻率範圍內的輸出電壓漣波。在 50 Hz 至 10 MHz 範圍內，它小於 200 µV。在相同頻率範圍內，輸入電壓漣波為 1 V p-p。LT3042 為雜訊敏感的 MEMS 解決方案提供了出色的 PSRR 和低雜訊電源。

圖 20. 繪製 LT3042 模擬輸出電壓漣波隨頻率的變化圖

使用 SPICE 錯誤日誌的 .meas 方法可用來模擬許多其他參數，包括：

  • 開關穩壓器的 PSRR

  • PSRR、電壓差與頻率三者的關係

  • PSRR 與旁路網路的關係

  • RMS 輸出漣波與直流輸入的關係

  • 效率與元件值的關係

小結

本文提供了 LTspice 模擬電路和方法，用以繪製降壓轉換器電源設計的差模和共模雜訊圖。本文讓使用者能夠繪製傳導輻射限值線，並幫助預測 EMC 實驗室故障。模擬方法透過實驗室測量得到驗證，與 LT8618 DC2822A 展示板實測結果匹配。

在 LT8618 降壓轉換器的輸出端使用 LT3042 LDO 穩壓器，可為 MEMS 感測器應用提供超低雜訊、高 PSRR 解決方案。針對 PSRR 的靈活模擬電路表明結果與 LT3042 數據手冊有良好的一致性。在 50 Hz 至 10 MHz 範圍內，即使存在較大的 1 V p-p 輸入電壓雜訊，LT3042 的模擬輸出漣波也小於 200 µV。

關於作者

Richard Anslow

Richard Anslow 畢業於愛爾蘭利默里克大學，獲工程學士和碩士學位。他從事新產品定義工作，並且擔任面向客戶的角色，處理有關 ADI 隔離式通訊產品系列的問題。

Sylvain Le Bras

Sylvain Le Bras 是 Würth Elektronik 的一名現場應用工程師，專注於電源和電磁相容性。加入 Würth Elektronik 之前，Sylvain 在 ABB 和技術轉移實驗室擔任過多種研發職位。他畢業於法國南特大學理工學院，獲工程碩士學位。