作者：Richard AnslowandSylvain Le Bras

隨著物聯網連接設備和5G連接等技術創新成為我們日常生活的一部分，調節這些設備的電磁輻射并量化其對EMI的抗擾度的需求也隨之增加。滿足 EMC 法規遵從性目標通常是一項復雜的任務。本文提供開源LTspice仿真電路來回答關鍵問題：（a）我的系統是否通過EMC測試，還是需要添加緩解技術？以及（b）我的設計對外部環境噪音的免疫力如何？

為什么我應該使用LTspice進行EMC仿真？

EMC 設計應盡可能嚴格地遵循產品發布時間表，但事實往往并非如此，因為 EMC 問題和實驗室測試可能會將產品發布延遲數月。

通常，仿真側重于電子設備的功能方面;但是，LTspice等簡單開源工具也可用于模擬任何器件的EMC行為。由于我們中的許多人在家工作，而EMC實驗室成本很高（每天高達2000美元），因此精確的EMC仿真工具更加有用?；◣讉€小時模擬EMC故障和電路修復有助于避免多次實驗室測試迭代和昂貴的硬件重新設計。

為了有用，EMC仿真工具需要盡可能準確。本系列文章提供了一些指南和LTspice EMC電路模型，這些模型經過仿真并與實際實驗室測量完美匹配。

本文是三篇系列文章的第1部分，為以MEMS振動傳感器為核心的示例傳感器信號鏈提供EMC仿真模型。然而，許多組件和EMC仿真技術并非MEMS解決方案所獨有，可用于廣泛的應用。

第1部分：電源組件和傳導輻射和抗擾度。

第 2 部分：電纜驅動收發器鏈路上的信號完整性和瞬態魯棒性。

第3部分：信號調理組件和增強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鍵問題：

a） 我的系統是否可能通過EMC測試？我是否應該為共模電感器、濾波電感器或電容器保留額外的占位面積？閱讀本文后，您應該能夠使用LTspice繪制降壓轉換器電源設計中的差分和共模噪聲，并顯示電路如何通過或失敗傳導輻射標準限值，如圖1所示。

圖1.差分和共模噪聲的LTspice圖，帶傳導輻射限制線。

（b） 是否需要線性穩壓器為我的敏感負載提供穩定的電壓？閱讀本文后，您應該能夠使用LTspice來了解降壓轉換器的輸出是否需要LDO穩壓器，具體取決于設計中可容忍的降壓輸出紋波電壓電平。此外，本文還提供可配置的電源抗噪性（PSRR）測試電路。

用于傳感器的降壓轉換器

MEMS振動傳感器通常安裝在小型金屬外殼中，直徑通常為20 mm至30 mm，高度為50 mm至60 mm。帶數字信號鏈的傳感器通常提供 9 V 電壓直流至 30 V直流在長電纜上，功耗低于 300 mW。需要微型電源解決方案才能安裝在這個小型外殼內，具有高效率和寬輸入范圍。

LT8618、LT8618-3.3 和LT8604是緊湊型、高速降壓型開關穩壓器，非常適合 MEMS 傳感器應用。LTspice 型號已可用于 LT8618 和 LT8618-3.3。LT8618的穩壓提供非常低的輸出紋波，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，導致降壓電路產生不必要的傳導輻射。由于容性負載、降壓穩壓器輸出開關寄生效應以及PCB設計和傳感器外殼之間的耦合電容，可能會產生寄生效應。

提取和使用寄生值

接下來的部分將介紹工程師如何使用伍爾特REDEXPERT從真實電容器中提取ESL和ESR寄生值，并使用LTspice仿真電路。在許多系統的輸入和輸出端，電容和電感寄生效應對EMI性能起著重要作用。分離各個寄生貢獻有助于用戶在降低系統輸出紋波方面做出最佳選擇。

降壓轉換器的傳導輻射仿真與LTspice和伍爾特REDEXPERT工藝流程進行了討論，如圖2所示。通常對于降壓轉換器，輸出紋波與信噪比（SNR）相關，而輸入紋波與EMC性能密切相關。

圖2.使用LTspice模擬傳導發射的工藝流程。

概述圖2仿真方法后，本文將提供使用DC2822ALT8618演示板進行實際實驗室測量和仿真關聯。

LTspice測試電路與伍爾特REDEXPERT數據

降壓轉換器的輸出紋波電壓是電容阻抗和電感電流的函數。為了獲得更好的仿真精度，伍爾特REDEXPERT可用于選擇4.7 μF輸出電容（885012208040），并提取頻率范圍內的ESR和ESL。ESL和ESR有時會加載到LTspice電容器模型中，但快速檢查將證明ESL在LTspice電容器數據中經常被省略。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ESL和ESR值，以及（b）使用伍爾特電容，包括ESR和ESL參數。

圖3.LTspice測試電路，（a）使用4.7 μF輸出電容以及分立ESL和ESR值，（b）使用伍爾特電容，包括ESR和ESL參數。

REDEXPERT顯示許多元件的頻率阻抗，從而能夠確定每個無源器件的關鍵寄生效應。這些寄生值稍后可以在LTspice模型中實現，從而能夠單獨評估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，在仿真容性負載和ESL的影響時，輸出紋波電壓為44 mV p-p。電容ESL對頻率范圍內的噪聲有顯著影響，如圖4 FFT圖所示。

圖4.FFT圖顯示了由于4.7 μF電容的純電容、ESL和ESR而對頻譜的個別貢獻。

使用LTspice LISN電路評估降壓輸入端的EMI一致性

為了評估傳導設置中的EMC合規性，大多數標準依賴于線路阻抗穩定網絡（LISN）或人工電源網絡（AMN）。這些器件具有類似的功能，放置在電路電源和被測器件（DUT）之間，此處為降壓轉換器。LISN/AMN由低通和高通濾波器組成。低通濾波器為低頻功率（直流至幾百Hz）提供到DUT的路徑。高通濾波器用于測量電源和返回電源線路噪聲。這些電壓通過50 Ω電阻測量，如圖5和圖6所示。1在實際實驗室中，該電壓是使用EMI接收器測量的。LTspice可用于探測噪聲電壓，并在傳導發射測試頻譜上繪制圖。

圖5.LISN 放置在電源和被測設備 （DUT） 之間。

圖6.LISN內共模和差模干擾的表示。1

傳導輻射可分為共模（CM）噪聲和差模（DM）噪聲。區分CM和DM噪聲非常重要，因為EMI抑制技術可能對CM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分離CM和DM噪聲，如圖6所示。1

DM噪聲在電源線和返回線之間產生，而CM噪聲通過雜散電容C在電源線和接地參考層（如銅測試臺）之間產生流浪.C流浪實際上，對降壓轉換器輸出端的開關噪聲寄生效應進行建模。

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，L5 和 L6 電感器用于模擬 LISN 電源引線到測試電路的電感。電阻R10模擬測試板槽接地層的阻抗。圖 7 還包括用于 C 模型的電容器 C10流浪.電容器 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 降壓轉換器和寄生建模。

運行仿真時，應設置LTspice以幫助LISN電路更快地達到穩定狀態，因為錯誤的啟動條件選擇會導致長時間振蕩。

確保取消選中從零開始外部直流電源電壓，并根據需要指定電路元件的初始條件（電壓和電流）。

圖8顯示了使用從LISN端子V1和V2測量的LTspice FTT圖的CM和DM噪聲。為了重現圖6所示的算術運算，將DM噪聲的V1和V2減去并乘以0.5，然后將V1添加到V2中，結果乘以0.5的CM噪聲。

圖8.DM噪聲（黑色）和CM噪聲（藍色）的LTspice FFT圖。

實驗室中傳導發射通常以dBμV為單位，而默認的LTspice單元為1 dbV。兩者之間的關系為1 dbV = 120 dBμV。

因此，以dBμV為單位的DM噪聲的LTspice表達式為

CM 噪聲的表達式為

添加傳導輻射限制線

LTspice FFT波形查看參數可以使用繪圖設置文件進行編輯。使用 LTspice FFT 菜單，導航到“保存繪圖設置”并點擊“保存”。可以使用文本編輯器打開繪圖設置文件，并進行操作以添加EN 55022傳導發射限制線以及相關的EMC頻率范圍（10 kHz至30 MHz）和幅度（0 dBμV至120 dBμV）。

可以使用Excel操作EN 55022傳導發射標準頻率和幅度限值，以提供正確的語法以復制并粘貼到LTspice繪圖設置文件中，如圖9所示。線定義可以粘貼到繪圖設置參數中，如圖 10 所示。圖10還顯示了X頻率和Y幅度參數。

圖9.生成正確的語法以復制并粘貼到 LTspice 繪圖設置文件中。

圖 10.添加傳導發射通過/失敗線定義和頻率/幅度尺度。

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。該電路在2.3 MHz至30 MHz頻段的輻射測試中失敗。

圖 11.LTspice FFT 圖和 EN 55022 傳導輻射限制線。

修復降壓轉換器 EMI

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

圖 12.修復降壓轉換器的排放。

為了降低共模噪聲，可以從LTspice庫中選擇伍爾特共模扼流圈，例如250 μH 744235251（WE-CNSW系列）。4.5 mm × 3.2 mm × 2.8 mm 的封裝尺寸非常適合空間受限的 MEMS 傳感器外殼。圖13顯示了固定降壓的FFT圖。

圖 13.固定降壓轉換器的FFT圖。

使用 DC2822A LT8618 演示板進行實際實驗室測量和仿真關聯

本文為使用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換器電路?，F在，我們將注意力轉向使用DC2822A LT8618演示板的仿真和EMC實驗室關聯，如圖14所示。DC2822A演示板包括多個輸入和輸出電容，這些電容在以前的仿真模型中沒有（例如，圖7和圖12）。圖15所示的LTspice模型包括這些電容以及使用伍爾特REDEXPERT獲得的電容ESL和ESR值。

圖 14.DC2822A LT8618 演示板。

圖 15.LTspice模型對應于DC2822A演示板V在配置。

DC2822A 演示板包括兩個電源輸入：VIN 和 VEMI。VIN輸入電源軌繞過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時差一點就無法達到傳導輻射限值線。

圖 16.對應于DC2822A V的LTspice FFT圖在配置。

為了縮短仿真時間并優化LTspice仿真與DC2822A演示板實驗室測量的匹配，與以前的模型相比，對圖15進行了以下更改（圖7和圖12）：

無需對外殼和 PCB 之間的 100 pF 電容進行建模。我們只是對DC2822A演示板進行建模。

從一開始就假設這種精心設計的PCB上的開關噪聲可以忽略不計。之前，我們在圖7和圖12中估計開關噪聲為5 pF。

忽略LISN和DC2822A演示板之間引線的極小電感。

在50 μH LISN電感器上并聯添加1 kΩ電阻，以減少仿真時間（縮短LISN建立時間）。

通過圖15電路中的這些變化，圖17顯示了LTspice仿真與DC2822A演示板在EMC實驗室中的實際測量的比較。LTspice仿真模型以出色的精度預測實際實驗室發射的主峰值。

圖 17.DC2822A V在配置，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 演示板可輕松通過 60 dBμV 的傳導輻射限制線。事實上，在較低頻率下，DC2822A演示板只有30 dBμV至35 dBμV的輻射。

傳導抗擾度

有線狀態監測傳感器具有嚴格的抗噪性要求。對于鐵路、自動化和重工業（例如紙漿和造紙加工）的CbM，振動傳感器解決方案需要輸出小于1 mV的噪聲，以避免在數據采集/控制器處觸發錯誤的振動水平。這意味著電源設計需要向測量電路（MEMS信號鏈）輸出非常小的噪聲（低輸出紋波）。電源設計還必須不受耦合到電源電纜的噪聲（高PSRR）的影響。

如前所述，由于非理想的容性負載和突發操作，LT8618 可能具有數十毫伏的輸出紋波。對于 MEMS 傳感器應用，LT8618 需要在其輸出端使用一個超低噪聲和高 PSRR LDO 穩壓器，例如LT3042。

用于抗噪性 （PSRR） 的靈活仿真電路

圖18所示的LTspice電路可用于仿真LT3042的PSRR。圖18所示的時域瞬態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，甚至允許用戶仿真開關穩壓器的PSRR。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，仿真評估方程：PSRRLT3042= （V 的變化在）/（VO 中的更改.!UT） 過頻。

圖 18.仿真LT3042 LDO穩壓器的PSRR，頻率范圍為10 kHz至80 MHz。

圖 18 包含幾個強有力的語句。.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，并測量電壓輸入隨頻率的階梯變化的LDO PSRR。

.meas 聲明

這允許用戶測量信號在一定時間范圍內的峰峰值，并將其輸出到SPICE錯誤日志。圖18測量輸入和輸出紋波，并計算測量數據的PSRR。所有這些都輸出到 SPICE 錯誤日志中。

.step 語句

.step 命令可用于在單次模擬運行中跨一系列值掃描變量。圖18中的.step語句在50 Hz至10 MHz范圍內對V2電壓源正弦波進行步進。

C2輸出電容初始電壓可設置為3.3 V，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0V啟動外部直流電源電壓選項，可以更快地完成。

使用 SPICE 錯誤日志

模擬完成后，右鍵單擊其中一個窗口，選擇視圖并選擇 SPICE 錯誤日志（或使用 Ctrl+L 熱鍵）。SPICE 錯誤日志包含 .meas 語句的數據點。

要繪制 .meas 數據，請右鍵單擊錯誤日志并選擇打印步驟的 .meas 數據，右鍵單擊空白屏幕以選擇“添加跟蹤”（或使用 Ctrl+A），然后選擇 PSRR。右鍵單擊 x 軸并選中單選按鈕以對數刻度顯示。這將顯示PSRR隨頻率的變化，如圖19所示。

圖 19.繪制LT3042 LDO穩壓器的仿真PSRR。

原始LT3042數據手冊曲線中的一些偽影不可見（約2 MHz），但全局形狀和值接近數據手冊。

圖20顯示了輸出電壓紋波隨頻率的變化。在50 Hz至10 MHz范圍內，這小于200 μV。在相同頻率范圍內，輸入電壓紋波為1 V p-p。LT3042 為噪聲敏感型 MEMS 解決方案提供了一個卓越的 PSRR 和低噪聲電源。

圖 20.繪制LT3042仿真輸出電壓紋波隨頻率變化的曲線圖。

使用SPICE錯誤日志的.meas方法可用于模擬許多其他參數，包括：

開關穩壓器的PSRR

PSRR 與壓差的關系 與頻率的關系

PSRR 與旁路網絡

RMS 輸出紋波與直流輸入的關系

效率與組件價值

總結

本文提供LTspice仿真電路和方法，用于繪制降壓轉換器電源設計中的差分和共模噪聲。本文使用戶能夠繪制傳導輻射限制線，并有助于預測EMC實驗室故障。仿真方法通過實驗室測量進行驗證，并與LT8618 DC2822A演示板密切相關。

在 LT8618 降壓型轉換器的輸出端使用 LT3042 LDO 穩壓器可為 MEMS 傳感器應用提供一種超低噪聲、高 PSRR 解決方案。一個用于PSRR的靈活仿真電路與LT3042數據手冊非常吻合。LT3042在50 Hz至10 MHz范圍內以小于200 μV的輸出紋波進行仿真，即使在存在1 V p-p大輸入電壓噪聲的情況下也是如此。

審核編輯：郭婷