开关电源传导EMI预测方法研究

　　针对开关电源设计阶段需要考虑的电磁兼容问题，介绍了 pcb 寄生参数的提取方法及其结构和频域仿真，并对开关电源设计阶段的传导干扰进行了预测，找出了开关电源传导干扰传播路径的影响因素，给出了 pcb 的基本原理和结构设计。 分析和总结了开关电源电磁干扰预测过程中应注意的问题，以及降低开关电源传导干扰的方法和策略。

　　1 引言

　　凭借更高的开关频率和功率密度增加，开关电源内部的电磁环境越来越复杂，电磁兼容性问题已经成为电源设计的一大焦点，同时也成为一大难点电源的设计工作。传统的设计方法，依靠与EMC设计处理，以使EMC原型后，问题的最后审议体验设置。 EMC的传统疗法只能添加附加组件，增加元素可能会影响到原有的控制环路带宽，从而在最坏的情况下，重新设计整个系统，增加了设计成本。为了避免这种情况，有必要在EMC问题的设计过程中要考虑，EMI和开关电源来分析某些预测精度，并根据干扰的机制提高设计和分布在每个频带降低EMI的水平，从而降低设计成本。

　　2 开关控制电源EMI特点及分类

　　传导EMI开关电源的预测，其特性首先需要的清除机构和一个噪声源。由于功率开关的高速开关操作中，电压和电流变化率都很高，上升沿和下降沿包含丰富的高次谐波，使一个大的强度的电磁干扰; EMI开关电源被聚焦在二极管，所述功率开关器件和散热器连接到其上和一高频变压器附近;切换开关管的频率从几十kHz到几MHz，使得干扰功率开关进行主要和近场干扰。其中，传导干扰噪声将通过传输路径被注入到电网中的其他设备的访问到电网的干扰。

　　开关控制电源传导干扰可以分为2大类。

　　1）差模（DM）的干扰。 DM噪声主要是由所述的di / dt ,,传播通过寄生电感的火线和中性线的两个电流线的IDM之间产生之间的电路电阻，并且不构成一个电路接地。

　　2)共模(cm)干扰。 Cm 噪声主要是由 dv / dt 引起的，pcb 的杂散电容在两电源线与地之间的电路中传播，两电源线与地之间的干扰，干扰电流在每条线上流动一半，地线为公共回路。

　　3 开关控制电源EMI的仿真结果分析

　　理论上，这两个时域或频域仿真仿真，只要合理的分析模型，模拟结果可以准确地反映量化EMI系统的程度。

　　时域仿真教学方法我们需要通过建立变换器中包含企业所有这些元件设计参数的电路系统模型，利用PSPICE或Saber软件可以进行控制仿真数据分析，使用一个快速傅里叶分析技术工具能够得到EMI的频谱波形，这种方式方法在DM 噪声的分析中已经得到了进一步验证。然而对于开关电源中的非线性元件如MOSFET，IGBT 等半导体器件，其非线性特性和杂散参数使模型具有非常重要复杂，同时实现开关电源模块电路管理工作时其电路网络拓扑优化结构水平不断发生改变，导致了仿真中出现不收敛的问题。在研究CM 噪声时，必须包含中国所有的寄生元件参数，由于寄生参数的影响，FFT结果和实验调查结果学生很难吻合；开关功率变换器通常没有工作在很大的时间常数范围内，主要内容包括3组时间常数：与输出端的基本特征频率增加有关的时间常数（几十ms）；与开关元件的开关频率变化有关的时间常数（几十μｓ）；与开关元件导通或关断时的上升空间时间和下降很多时间因素有关的时间常数（几ns）。

　　因此，在时域仿真中，必须使用非常小的计算步骤，完成计算需要很长时间。 此外，时域法得到的结果不能清楚地分析各种变量对干扰的影响。 开关电源的EMI行为无法深入解释。

　　频域仿真是一种基于噪声源阻抗模型和传播路径的分析方法。 利用 lisn 为噪声源提供标准负载阻抗。 如图1所示，从 lisn 角度来看，整个系统可以简化为噪声源、噪声路径和噪声接收器(lisn)。 频域法可以大大减少仿真计算时间，计算结果不收敛。

　　

　　图噪声源和传播路径的概念

　　图1中，噪声影响路径主要包括PCB传导、耦合发展路径，散热片电容耦合作用路径，变压器耦合研究路径等。

　　4　基于频域方法的SMPS等效电路模型

　　对开关控制电源系统进行研究频域分析仿真，首先要通过建立一个开关电源的频域仿真数据模型。开关电源EMI频域预测的重点是对噪声影响路径的建模，其中主要包括：无源器件的高频模型；PCB及结构寄生参数的抽取。

　　 在考虑无源器件，PCB和结构的寄生参数的基础上，建立开关电源集中参数的电路模型，通过计算或仿真得到电路的阻抗和点，为降低EMI提供了有力的依据。

　　由于差模噪声和共模噪声的传播发展路径进行不同，有必要对DM 传播路径和CM 传播路径分别建模。这样我们可以得到更好地分析以及各种因素干扰的特点，而且还可以为自己设计滤波器提供更加有力的依据。

　　4.1　噪声源的模型建立

　　分别，由于需要用于DM和CM噪声噪声分析还需要噪声源DM和CM噪声源，分别建模。 M.Nave在文献中提出的[3]通过使用电压源作为噪声源CM用作电流源DM噪声源，DM噪声主要是因为的di / dt所引起的噪声主要CM / dt的引起的dv。 [4]在CM噪声源的基础上进行了改进，考虑到电压过冲和下冲，并且在大约平衡线路阻抗的情况下，DM电流源和电压源表示CM噪声源（例如，如示于图2） 。

　　

　　图2 共模噪声源的表示

　　文献基本上梯形波由噪声源表示，但是在各电路中的开关装置的实际波形不能由梯形波很好地近似，如图。 3这是一个反激功率开关管电流和电压波形，除了梯形波，和电流尖峰，电压过冲和下冲成分，会导致与噪声源的频谱的梯形波具有一定的不同。不能盲目地用于表征噪声源的梯形波，但需要的电路分析或仿真，由此开关装置的电流或电压波形，然后在此基础上的波形模拟噪声源，以便更准确地反映开关电磁干扰能力。

　　

　　图3 某反激电源控制开关管的电流通过电压波形

　　4.2　无源器件的高频模型

　　在电磁干扰频率范围内，一般的无源器件已不再被认为是理想的器件，其寄生参数严重影响了器件的高频特性。

　　在各种无源元件，高频电阻，电感和电容等效寄生参数可以由高频阻抗分析仪来测量。表1示出的各种模式和频率随无源器件的等效模型。

　　表1　电阻、电容、电感及变压器的高频等效模型

　　

　　对于高频率变压器，提出了可以使用有限元分析方法，和实验测量来确定的，能够得到漏电感，由于互电容引起的这些冲击辅助主和辅助主电路电容，主要参数以增加传导EMI。 Ansoft公司利用麦克斯韦仿真软件可以，采用有限元分析法给每个输入变压器绕组与电磁铁芯的几何参数的寄生参数。总的想法的实验方法是根据所建立的模型，不同的工作条件下该变压器的衍生阻抗特性（例如，初级和次级绕组开路，短路的不同组合）方程，然后测量在这些状态的阻抗，从而得到漏感和杂散电容。

　　4.3　PCB及结构寄生参数的提取

　　除了元器件选型，电路及其结构设计，PCB版图，布线设计，电路板加工等都会对EMC产生很大影响，是非常重要的设计环节。 由于开关电源的PCB布线基本上是根据经验手动布置的，具有很大的随机性，增加了提取PCB分布参数的难度。 PCB寄生参数会引起开关电源噪声传播路径的阻抗变化，影响控制器对开关电源输出电压和电流的控制功能。 不合理的PCB布局也会形成开关电源辐射电磁干扰的方式，同时也会通过这种方式吸收外界的电磁干扰，从而降低开关电源的电磁干扰抗扰度。 因此，PCB的布局和布线是设计EMC开关电源中一个极其重要的环节。

　　对于传导干扰，寄生参数的提取精度是通过仿真有效预测电磁干扰水平的关键。 简单元件的寄生参数计算容易，但复杂元件，如多层板和直流母线的寄生参数计算困难。

　　为了企业建立一个开关电源PCB的高频数据模型，需要对PCB的结构寄生参数信息进行研究抽取。提取PCB寄生参数的方法有很多，其中TDR（时域反射）方法我们可以在不知道自己实际问题几何形状的情况下对寄生电感和寄生电容进行特征提取，但是TDR（时域反射）方法发展需要通过时域反射仪，用于样机建成后，这就使开发项目成本管理大大提高增加，而且TDR 方法已经不能寻找到解决复杂网络结构中的耦合效应；然而FEA（有限元理论分析）方法则可以有效克服这一缺点，用于样机建成前。利用FEA工具方面可以更加准确地得到PCB的寄生参数，并能充分考虑各种复杂几何知识结构的耦合情况。

　　有很多对PCB结构问题进行一个寄生参数信息抽取软件，如InCa，SIwave，Q3D 等，分别用不同的方法对PCB的寄生参数数据进行设计计算和提取，如部分元等效控制电路工作方法、有限元模型分析研究方法、有限元理论分析教学方法和矩量法结合的方法等。其中InCa软件企业只能通过计算资源分布电感，不适合学生计算主要分布电容，不宜处理共模干扰的仿真结果分析；SIwave软件技术提取分离出来的是电路的Ｓ参数，不能没有清晰地反映PCB中的耦合发展情况选择及其对开关电源EMI的影响；Q3D 软件开发利用FEA 和MOM结合的方法就是求解电磁场，可以自己得到PEEC部分元等效电路，也可以根据得到PCB上各导体的互感互容，可以更加清晰地分析提供各种社会情况下PCB结构对开关电源 EMI的影响。

　　J.Ekman提出了基于寄生参数矩阵的等效电路的建立方法，即把所有互感、互容等效成受控的电压源，与自感、自容连接（相当于把所有互感、互容对电路的影响等效到受控电压源上），从而建立等效电路模型。图4所示为任意两个节点间的等效电路模型。
 

　　图4　任意两节点间的等效电路模型

　　图4中：

　　

　　其中：导体之间Lpmn互感m和n是两个。

　　虽然我们这样一个可以有效提高仿真的准确性，但是加大了分析的计算量，可以同时通过忽略一些对结果产生影响因素不是很大的互感、互容，减少计算量。

　　有电容效应，噪声可以由电路和详细进行，并在该对辐射发射的开关电源翅片的影响所描述的文献[9]之间的传播翅片和效果之间切换。

　　还有一些其他的在空间可以通过一个电感或电容进行耦合传到接收器的噪声，不可以忽略。

　　建立模型时，可以通过仿真软件对开关电源的EMI进行仿真，得到开关电源导通EMI的频谱波形。 通过对波形的分析，确定了开关电源的EMI问题，以及EMI问题。 可以通过解决问题来减少

　　 减少EMI的5设计方法和策略

　　为了降低开关电源的电磁干扰，必须从噪声源和传播路径入手。 首先，通过增加吸收电路可以降低噪声源的电磁干扰，但会影响开关电源的效率。

　　然后是对传播发展路径问题进行管理改进。改进的目的是要使传播路径对于环境干扰的阻抗增大，阻断其向接收器的传播，而对于国家电网企业提供的功率，阻抗要小，从而不断增加开关电源的工作学习效率。

　　选取一个元件时需要我们尽量可以选取寄生系统参数进行影响小的元件，比如利用电容的ESR和ESL要尽量小，电感的寄生电容要小等。在PCB以及散热片的位置等设计发展过程中，也要能够尽可能增大对干扰信息传播研究路径的阻抗，使噪声数据尽可能少的通过PCB路径传导到接收器。

　　如果上述所有降低EMI的措施都没有达到EMC标准，则可以根据前面仿真分析得到的差分模式和共模干扰的波形来设计滤波器。 在滤波器的设计过程中，还应注意元件的布局，以及PCB寄生参数对滤波器阻抗的影响。 其本质是增加干扰的阻抗，使干扰不能通过传播路径。 开关电源设计流程如图5所示。

　　图5 开关电源设计流程

　　6　结论

　　综上所述，目前我国对于一个开关电源传导干扰的预测研究方法有时域方法和频域方法通过两种，由于时域方法我们需要企业使用很小的计算步长，需要学生花费很长的计算工作时间，容易导致出现仿真实验结果不收敛的问题。同时，时域仿真可以得到的结果往往都是不能没有清晰地分析显示电路中各个变量对干扰的影响。而频域仿真物理教学意义更加清晰，更容易判断各参数对EMI的影响，能够为降低EMI提供有力依据，关键问题是中国建立科学合理的干扰源和传播发展途径的频域模型。

　　对于PCB寄生参数的提取，有很多企业软件，这些软件适合的领域不尽相同，可以通过根据教学任务需求信息进行分析选择。

　　对于高频等效电路模型可以忽略某些由电路分析，互电容等因素的影响的方法，从而减少计算量的互感EMI影响不大，而不牺牲太多的精度。

　　的主要方法是使EMI减少电磁干扰的传播路径的阻抗增大，从而使通过所述传播路径少的电磁干扰，滤波器设计，分别可以根据噪声的CM和DM噪声仿真结果设计的，并且需要特别注意的元件布局，良好的布局噪声滤波器的更好地抑制繁殖。

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