如何用LTspice对EMC滤波器进行精确的仿真模拟

LTspice是模拟电子电路的有力工具。 它可以执行简单的模拟来验证新设计的功能。 该工具还在短时间内完成复杂的分析，如最坏情况分析、频率响应或噪声分析等。

LTspice在模拟噪声和滤波器方面也很有用。 滤波器是电路中许多应用的关键元件。 特别是采用电磁兼容（EMC）滤波器来降低噪声和干扰。 为了在模拟中获得准确的结果，需要考虑实际的电路现象。 寄生参数在滤波器中起着关键作用，因为它们可以激发相反的效果例如有可能会放大噪声。

在本文中，我们将回顾电路中存在的不同类型的噪声。 然后我们将讨论如何用LTspice对EMC滤波器进行精确的仿真。

共模噪声和差分噪声

在设计有效的滤波器之前，我们需要知道电路中可能存在什么样的噪声。 下面是一个简单的电路，将有助于解释这两种类型的噪声。

电压源V1产生的电流将流过R1。 然后它将返回到源端（即接地端或参考电压端）。

电压源V1产生的电流将流过R1

在理想条件下，电路中唯一存在的电流和电压将由源V1产生。 如下图所示，与此电流方向相同的噪声称为差模噪声。

差模噪声

第二种情况是出现共模噪声。 在这种情况下，噪声电流的方向与从负载回流到源端的返回电流的方向相反。

共模噪声

为了有效地防止干扰，滤波器需要考虑两种类型的噪声。 所选择的部件及其位置取决于要衰减的噪声类型。

在LTspice中绘制Bode（伯德）图

最有趣的分析之一，LTspice可以执行的是频率分析，也称为交流（AC）分析。 我们可以用一个简单的低通滤波器来看到它的功能。

在LTspice中绘制Bode（伯德）图的示例

对于交流（AC）分析，我们需要定义一个交流源。 在LTspice中，可以为电压源配置各种参数，但幅度需要足以满足我们的仿真目的。 我们还需要配置四个仿真参数。

运行仿真后，我们可以绘制出相对于输入的输出电平，即滤波器传递函数。 有两条线：一条连续对应的是幅度响应，而一条不连续的线对应的是相位响应。 我们可以看到，滤波器响应基本上是平坦的，直到接近截止频率（本文的示例如下）：

Bode（伯德）图

在LTspice中仿真模拟噪声和滤波器

澄清LTspice的这方面是很重要的。 该软件使用噪声类型的仿真来模拟元件固有的噪声。 这种类型的模拟适合于验证电路的功能，如模拟滤波器。 为了EMC的设计目的，我们需要模拟共模和差模噪声，所以我们需要确保我们的滤波器对两种噪声类型都是有效的。

以下电路是由电容器和共模扼流圈组成的EMC滤波器，以衰减共模噪声（C4，C1，L3）；另外， 它还包括两个电感和电容器来衰减差分噪声（L1，L2，C2，C3）。

为了模拟保护接地（PE）或底盘连接，我们使用通过非常小的电容耦合到规则接地或负电位上。

为了模拟差分噪声，我们可以在信号发生器上叠加一个电压源。

对于共模噪声的情况，可以通过在回流路径中添加一个电压源来模拟。

当对这两种类型的噪声都足够衰减时，滤波器才是足够设计的，所以尽量避免完全聚焦于一种噪声而忽略另一种噪声。

理想的与现实的EMC滤波器

不幸的是，现实的滤波器的行为不如理想的滤波器。 如果我们想要接近实际结果的仿真模拟，我们需要考虑滤波器的寄生元件和安装它们的PCB板的影响。

寄生元件产生共振，可以改变EMC滤波器的截止频率。 因此，如果我们不考虑寄生，我们可能会观察到添加滤波器反而会使情况更糟。

知道每个寄生元素的确切值可能很困难。 这些信息有时可以从数据表（Datasheet）中获得，但如果有必要，也可以使用估计值。

下面的原理图显示了相同的EMC滤波器，只不过在前面的设计中添加了一些寄生参数的影响。

理想滤波器（黑色）和真实的滤波器（红色）的频率响应比较如下所示。

理想滤波器的频率响应随着频率的增加而平稳下降，但实际滤波器不表现出相同的行为。 从大约40kHz开始，它产生的衰减比理想滤波器小。 因此，当我们逼近一个真实的环境时，我们可以看到性能发生了很大的变化。

注意：下载LTspice模型时，应该反复检查器件模型中包含了什么。 有时它们已经包含了所有的寄生元素，这样可以节省大量的工作。

自谐振和阻尼振荡

滤波器的自谐振可以通过几个dB放大噪声，从而引起不想要的效果。 有一些方法可以避免这种情况，或者至少尽可能减少负面影响。 其中一个是相当简单的，包括添加一个电阻与电容器串联，如下图所示。

电阻器的值不需要巨大。 我们只需要小心它的功率等级。 电容器通常不受欢迎的一个方面是等效串联电阻（ESR）。 然而，在这种情况下，我们可以选择一个高ESR的电容器，从而避免使用额外的电阻器。

下图显示了一个没有阻尼电阻（红色）的滤波器和另一个滤波器的传递函数，对应于具有阻尼电阻（蓝色）的滤波器）。

它们之间的差异是显著的-谐振频率周围的振幅降低了9dB。 这种技术的缺点是滤波器衰减斜率不太明显，因此必须对所有的频率行为进行分析，以确保所有的滤波结果都是可以接受的。

结论

LTspice是在许多应用程序中节省成本和时间的强大工具。 例如，需要专门为每个应用设计的EMC滤波器，因此预先模拟它们可以节省大量时间。

LTspice执行频率分析，允许工程师生成bode图，这是研究滤波器器的主要工具。 LTspice还可以包括真实的参数，如寄生，以获得尽可能真实的仿真模拟结果。
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