2. MPS功率变换器开关行为与EMI源建模
在MPS（Monolithic Power Systems）功率变换器的EMI分析中，真正决定干扰频谱形状与幅值的，并不是电感或电容本身，而是功率开关在开通与关断瞬间形成的电压跳变（dv/dt）和电流跳变（di/dt）。这两个跳变把直流能量转换成宽频带噪声，再通过开关节点（SW节点）的寄生电容、回路寄生电感以及PCB走线向外传导和辐射。因此，EMI源建模的第一步，是把Buck、Boost、Buck-Boost三种基本拓扑的开关波形还原成可计算的等效源。
一、三种拓扑的开关节点波形特征
先约定参照方向：以下分析中，开关节点电压以地为参考，电流以流入开关节点为正方向。三种拓扑的开关管位置不同，导致SW节点波形的“参考端”和“跳变幅度”存在本质差异。
Buck（降压）：高侧开关管连接VIN与SW，低侧同步整流管连接SW与GND。SW节点在VIN与0之间切换，跳变幅度为VIN。开通过程中，SW电压从0上升到VIN，同时高侧管电流从0上升到电感电流IL；关断时相反。其dv/dt由高侧管的输出电容Coss、栅极驱动强度以及SW节点对地寄生电容共同决定，di/dt则由回路寄生电感与开关管跨导决定。
Boost（升压）：低侧开关管连接SW与GND，高侧二极管或同步管连接SW与VOUT。SW节点在0与VOUT之间切换，跳变幅度为VOUT。与Buck不同，Boost的输入电流连续，开关管电流为脉动三角波，因此其di/dt噪声更集中在开关管支路，而dv/dt噪声集中在SW节点对VOUT的寄生电容上。
Buck-Boost（升降压）：开关管连接VIN与SW，二极管或同步管连接SW与VOUT（反相输出）。SW节点在0与VIN+VOUT之间切换，跳变幅度最大，且SW节点同时承受输入与输出两端的寄生电容耦合，是三种拓扑中EMI最恶劣的一种。其等效源模型需要同时考虑VIN侧和VOUT侧两条耦合路径。
二、di/dt与dv/dt等效源建模方法
把开关行为抽象成等效源，核心是建立两个微分关系：dv/dt源由开关节点对地寄生电容C_par和电压跳变速率决定，表现为位移电流I_C = C_par × dV_SW/dt；di/dt源由功率回路寄生电感L_loop和电流跳变速率决定，表现为感应电压V_L = L_loop × dI_SW/dt。这两个源在频域上分别对应不同的噪声频谱包络。
以Buck为例，假设VIN=12V，f_SW=500kHz，高侧管Coss=150pF，SW节点对地寄生电容C_SW_GND=80pF，功率回路寄生电感L_loop=3nH。若实测开通时间t_r=10ns，则dv/dt ≈ 12V/10ns = 1.2V/ns，位移电流峰值I_C ≈ (150+80)pF × 1.2V/ns ≈ 276mA。这个电流会通过SW节点对地电容流入GND，形成共模噪声源。若关断时间t_f=8ns，则di/dt ≈ IL/8ns，假设IL=2A，则di/dt=250A/μs，感应电压V_L = 3nH × 250A/μs = 0.75V，叠加在开关管漏源两端，形成差模噪声源。
对于Boost，SW节点跳变幅度为VOUT而非VIN，若VOUT=24V，t_r=12ns，则dv/dt=2V/ns，位移电流更大。同时Boost的输入电流连续，di/dt噪声主要集中在开关管支路，其等效源应建模为电流源并联在开关管两端。Buck-Boost则需同时考虑VIN侧和VOUT侧两条耦合路径，其等效源模型可视为两个dv/dt源叠加：一个来自VIN→SW的跳变，一个来自VOUT→SW的跳变。
三、主要噪声产生机理识别
根据上述模型，MPS变换器的EMI噪声主要来自三个机理：
- 开关管输出电容充放电：每次开关动作，Coss储存的电荷被快速释放或充电，形成窄脉冲电流，其频谱可延伸至数百MHz。这是dv/dt噪声的主要来源。
- 功率回路寄生电感：高di/dt在L_loop上产生电压尖峰和振铃，振铃频率由L_loop与Coss谐振决定，通常在30MHz~150MHz范围，是辐射EMI的主要贡献者。
- SW节点对地寄生电容：SW节点与GND之间的PCB铜箔、散热器、线缆形成寄生电容，dv/dt通过该电容注入共模电流，是传导EMI中共模噪声的主要路径。
四、建模参数与工程判断
建立等效源模型时，需要提取以下关键参数：Coss（从MPS数据手册获取）、C_SW_GND（根据PCB布局估算，典型值50~200pF）、L_loop（根据回路面积估算，典型值2~10nH）、t_r/t_f（由栅极驱动强度和开关管跨导决定）。这些参数直接决定噪声源的幅值和频谱转折点。
以Buck-Boost为例，若VIN=12V，VOUT=-12V，则SW节点跳变幅度为24V。假设t_r=15ns，C_par=300pF，L_loop=5nH，IL=1.5A，t_f=10ns，则dv/dt=1.6V/ns，I_C=480mA；di/dt=150A/μs，V_L=0.75V。与Buck相比，dv/dt噪声电流增大约74%，di/dt噪声电压相近，但跳变幅度翻倍导致共模噪声显著增强。因此，Buck-Boost拓扑在布局上必须优先缩短VIN和VOUT两条功率回路，并尽量减小SW节点铜箔面积。
总结来说，MPS功率变换器的EMI源建模，本质是把开关波形翻译成dv/dt和di/dt两个等效源，再结合寄生参数计算噪声幅值与频谱。Buck、Boost、Buck-Boost的差异在于SW节点跳变幅度和耦合路径数量，Buck-Boost最恶劣，Boost次之，Buck相对较好。掌握这一建模方法后，后续的滤波器设计才有明确的噪声源输入，而不是盲目试错。