如何用LTspice對EMC濾波器進行精確的仿真模擬

LTspice是模擬電子電路的有力工具。 它可以執行簡單的模擬來驗證新設計的功能。 該工具還在短時間內完成復雜的分析，如最壞情況分析、頻率響應或噪聲分析等。

LTspice在模擬噪聲和濾波器方面也很有用。 濾波器是電路中許多應用的關鍵元件。 特別是采用電磁兼容（EMC）濾波器來降低噪聲和干擾。 為了在模擬中獲得準確的結果，需要考慮實際的電路現象。 寄生參數在濾波器中起著關鍵作用，因為它們可以激發相反的效果例如有可能會放大噪聲。

在本文中，我們將回顧電路中存在的不同類型的噪聲。 然后我們將討論如何用LTspice對EMC濾波器進行精確的仿真。

共模噪聲和差分噪聲

在設計有效的濾波器之前，我們需要知道電路中可能存在什么樣的噪聲。 下面是一個簡單的電路，將有助于解釋這兩種類型的噪聲。

電壓源V1產生的電流將流過R1。 然后它將返回到源端（即接地端或參考電壓端）。

電壓源V1產生的電流將流過R1

在理想條件下，電路中唯一存在的電流和電壓將由源V1產生。 如下圖所示，與此電流方向相同的噪聲稱為差模噪聲。

差模噪聲

第二種情況是出現共模噪聲。 在這種情況下，噪聲電流的方向與從負載回流到源端的返回電流的方向相反。

共模噪聲

為了有效地防止干擾，濾波器需要考慮兩種類型的噪聲。 所選擇的部件及其位置取決于要衰減的噪聲類型。

在LTspice中繪制Bode（伯德）圖

最有趣的分析之一，LTspice可以執行的是頻率分析，也稱為交流（AC）分析。 我們可以用一個簡單的低通濾波器來看到它的功能。

在LTspice中繪制Bode（伯德）圖的示例

對于交流（AC）分析，我們需要定義一個交流源。 在LTspice中，可以為電壓源配置各種參數，但幅度需要足以滿足我們的仿真目的。 我們還需要配置四個仿真參數。

運行仿真后，我們可以繪制出相對于輸入的輸出電平，即濾波器傳遞函數。 有兩條線：一條連續對應的是幅度響應，而一條不連續的線對應的是相位響應。 我們可以看到，濾波器響應基本上是平坦的，直到接近截止頻率（本文的示例如下）：

Bode（伯德）圖

在LTspice中仿真模擬噪聲和濾波器

澄清LTspice的這方面是很重要的。 該軟件使用噪聲類型的仿真來模擬元件固有的噪聲。 這種類型的模擬適合于驗證電路的功能，如模擬濾波器。 為了EMC的設計目的，我們需要模擬共模和差模噪聲，所以我們需要確保我們的濾波器對兩種噪聲類型都是有效的。

以下電路是由電容器和共模扼流圈組成的EMC濾波器，以衰減共模噪聲（C4，C1，L3）；另外， 它還包括兩個電感和電容器來衰減差分噪聲（L1，L2，C2，C3）。

為了模擬保護接地（PE）或底盤連接，我們使用通過非常小的電容耦合到規則接地或負電位上。

為了模擬差分噪聲，我們可以在信號發生器上疊加一個電壓源。

對于共模噪聲的情況，可以通過在回流路徑中添加一個電壓源來模擬。

當對這兩種類型的噪聲都足夠衰減時，濾波器才是足夠設計的，所以盡量避免完全聚焦于一種噪聲而忽略另一種噪聲。

理想的與現實的EMC濾波器

不幸的是，現實的濾波器的行為不如理想的濾波器。 如果我們想要接近實際結果的仿真模擬，我們需要考慮濾波器的寄生元件和安裝它們的PCB板的影響。

寄生元件產生共振，可以改變EMC濾波器的截止頻率。 因此，如果我們不考慮寄生，我們可能會觀察到添加濾波器反而會使情況更糟。

知道每個寄生元素的確切值可能很困難。 這些信息有時可以從數據表（Datasheet）中獲得，但如果有必要，也可以使用估計值。

下面的原理圖顯示了相同的EMC濾波器，只不過在前面的設計中添加了一些寄生參數的影響。

理想濾波器（黑色）和真實的濾波器（紅色）的頻率響應比較如下所示。

理想濾波器的頻率響應隨著頻率的增加而平穩下降，但實際濾波器不表現出相同的行為。 從大約40kHz開始，它產生的衰減比理想濾波器小。 因此，當我們逼近一個真實的環境時，我們可以看到性能發生了很大的變化。

注意：下載LTspice模型時，應該反復檢查器件模型中包含了什么。 有時它們已經包含了所有的寄生元素，這樣可以節省大量的工作。

自諧振和阻尼振蕩

濾波器的自諧振可以通過幾個dB放大噪聲，從而引起不想要的效果。 有一些方法可以避免這種情況，或者至少盡可能減少負面影響。 其中一個是相當簡單的，包括添加一個電阻與電容器串聯，如下圖所示。

電阻器的值不需要巨大。 我們只需要小心它的功率等級。 電容器通常不受歡迎的一個方面是等效串聯電阻（ESR）。 然而，在這種情況下，我們可以選擇一個高ESR的電容器，從而避免使用額外的電阻器。

下圖顯示了一個沒有阻尼電阻（紅色）的濾波器和另一個濾波器的傳遞函數，對應于具有阻尼電阻（藍色）的濾波器）。

它們之間的差異是顯著的-諧振頻率周圍的振幅降低了9dB。 這種技術的缺點是濾波器衰減斜率不太明顯，因此必須對所有的頻率行為進行分析，以確保所有的濾波結果都是可以接受的。

結論

LTspice是在許多應用程序中節省成本和時間的強大工具。 例如，需要專門為每個應用設計的EMC濾波器，因此預先模擬它們可以節省大量時間。

LTspice執行頻率分析，允許工程師生成bode圖，這是研究濾波器器的主要工具。 LTspice還可以包括真實的參數，如寄生，以獲得盡可能真實的仿真模擬結果。
責任編輯人：CC?