基于有限元法的高頻開關電源PCB 電磁兼容設計與仿真

潘亞培，吳明贊，李 竹

(南京理工大學自動化學院，南京 210094)

開關電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩壓范圍寬等優點，但開關電源的缺點之一是產生較強的電磁干擾，EMI 信號既占有一定的頻率范圍，又有一定的幅度，經傳導和輻射會污染電磁環境，對通信設備和周邊電子儀器造成干擾［1］。因此對高頻開關電源PCB 進行合理布局布線并提高其電磁兼容性尤為重要。

1 高頻開關電源結構介紹

本文設計的高頻開關電源總體結構如圖1所示，主要包括高頻開關電源主電路和數字控制電路兩部分。主電路由輸入EMI 濾波器、有源功率因數校正電路以及DC/DC 變換器構成。數字控制電路以DSP 芯片為核心，完成對輸出電壓的采樣，同時根據輸出電壓大小改變輸出脈沖信號占空比，從而使輸出電壓穩定。

圖1 高頻開關電源結構圖

2 高頻開關電源PCB 電磁兼容設計分析

2.1 高頻開關電源PCB 電磁兼容分析

與數字電路相比，開關器件功率大，但頻率不太高，所以開關電源EMI 呈現出鮮明的特點:一是開關電源EMI 干擾源主要集中在功率開關器件、二極管以及與之相連的散熱器和高頻變壓器上，分布較為清楚。二是高頻開關電源工作在開關狀態，電壓、電流變化率很高，產生的干擾強度較大。

在開關電源中，有效的輻射源可以分為電場源和磁場源［2］。電場源是電路中具有很高的du/dt 的導體，包括與功率開關管漏極相連的導體、高頻變壓器的原副邊繞組以及與之相連的導體、電感器的高du/dt 側;磁場源是由高di/dt 導體構成的回路，包括電感器和變壓器繞組的漏磁、電路中高頻半導體器件構成的高頻電流回路、功率變換器的引線電纜。

2.2 高頻開關電源PCB 布局布線的原則

在高頻開關電源中，由于印制板上既有小信號控制線，又有高壓電源母線，同時還有一些高頻功率開關器件、磁性元件，如何在印制板有限的空間內合理地安排元器件位置及走線，將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性能和電路工作的可靠性。在進行元器件的布局布線時，應遵循以下幾個原則［3］:一是根據印制板的安裝方式，將相互關聯的元器件擺放在一起以避免印制線過長所帶來的干擾，把易發熱的元器件如穩壓器、功率開關器件、變壓器等安裝在印制板的上方部位，以利于散熱，熱敏元件應該遠離發熱元件。二要盡量加粗電源線、接地線寬度，減小環路阻抗，同時使電源線、地線的走向和數據傳遞方向一致。此外控制回路與輸出回路應分開，采用單點接地方式［4］。

在Protel DXP 中完成元器件布局以后，首先使用自動布線功能對高頻開關電源PCB 進行布線，然后根據上述開關電源布局布線規則進行布線，得到的PCB 導入Ansoft Designer 后生成的仿真文件分別如圖2和圖3所示。

圖2 自動布線PCB 仿真文件

圖3 按照電磁兼容規則布線后仿真文件

3 高頻開關電源PCB 電磁兼容仿真分析

3.1 Ansoft Designer 軟件簡介

有限元法是一種常用的數值方法，并有相應的電磁軟件問世，其中Ansoft Designer 是第一個將電路系統、PCB和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個環境的設計工具，是Ansoft 機電系統設計解決方案的重要組成部分，也是非常優秀的電磁分析軟件［5］。其獨有的“按需求解”技術可以使用戶根據需要選擇求解器，從而實現對設計過程的完全控制。Ansoft Designer 實現了“所見即所得”的自動化版圖功能，PCB 與原理圖自動同步，大大提高了PCB 設計效率，同時還能方便地與其他設計軟件集成。

3.2 自動布線仿真分析

由于這篇文章主要關注的是高頻開關電源在高頻段時的輻射干擾，而開關電源的諧波頻段在低頻段(0.15 MHz～30 MHz)時表現為傳導干擾，只有在高頻段(30 MHz～1 GHz)時才表現為輻射干擾。在GB9254—2008 標準中，對于輻射干擾的測試也要求在30 MHz～1 GHz 范圍內［6］。所以仿真頻率在200 MHz～1 GHz 之間選取，符合輻射干擾的測量范圍。

新建一個板級Planar EM 工程，為了便于觀測，選擇200 MHz、600 MHz和1 GHz 三個頻率點，仿真結果分別如圖4～圖12所示。

圖4 200 MHz 電場分布圖

圖5 200 MHz 磁場分布圖

圖6 200 MHz 表面電流分布圖

圖7 600 MHz 電場分布圖

圖8 600 MHz 磁場分布圖

圖9 600 MHz 表面電流分布圖

圖10 1 GHz 電場分布圖

圖11 1 GHz 磁場分布圖

圖12 1 GHz 表面電流分布圖

通過對以上3個頻點的電流圖和近場E、H 圖進行分析可以知道，對同一頻點，近場E 場和近場H 場分布圖相差很大。一方面體現在近場的電場分布與磁場分布不一致，另一方面體現在兩個場對應數值上相差很大;在不同的頻率點，近場E 場和近場H 場分布發生變化。

3.3 按照電磁兼容規則布線后仿真分析

為了與自動布線仿真進行比較，仿真參數的設置與自動布線時相同，在Ansoft Designer 中重新運行仿真分析，結果分別如圖13～圖21所示。

圖13 200 MHz 電場分布圖

圖14 200 MHz 磁場分布圖

圖15 200 MHz 表面電流分布圖

圖16 600 MHz 電場分布圖

圖17 600 MHz 磁場分布圖

圖18 600 MHz 表面電流分布圖

圖19 1 GHz 電場分布圖

圖20 1 GHz 磁場分布圖

圖21 1 GHz 表面電流分布圖

從仿真結果可以看出，按照電磁兼容規則優化設計后，PCB 板近場輻射干擾強度有所降低，近場E 場、H場在同一頻點的分布范圍均比自動布線時縮小且最大值降低。

3.4 兩種布線方式的比較分析

根據兩種布線方式的仿真分析結果可知，自動布線時由于未考慮電磁兼容的設計規則，生成的高頻開關電源PCB 近場電磁輻射的范圍和數值均較大，電磁干擾較強。而根據電磁兼容的相關規則對PCB 進行手動布線和優化后，近場輻射的范圍和數值均有所減小，提高了PCB 板的電磁兼容性。具體的仿真比較如表1所示。

表1 自動布線和手動布線仿真結果比較

4 結束語

這篇文章提出了基于有限元法的PCB 電磁兼容仿真分析方法，利用Ansoft 軟件對高頻開關電源的電磁兼容性進行仿真和分析。分別對自動布線和按照電磁兼容規則布線的PCB 進行仿真，通過仿真結果可以看出，利用自動布線功能生成的PCB 電磁干擾比較嚴重，而按照電磁兼容的規則布線后，PCB板的電磁兼容性得到了很大的改進，說明按照電磁兼容規則進行布線的PCB 電磁兼容性要優于自動布線的PCB。

由于論文篇幅有限，只是選取了3個頻率點進行仿真。此外高頻開關電源PCB 電磁兼容的分析涉及的知識面較多，且需要長時間的經驗積累，這次分析還不夠全面，有待于進一步深入分析。

［1］吳子云，徐振.開關電源PCB 電磁兼容性的建模分析［J］.機械與電氣，2009(10):56－57.

［2］唐駿，陳麗安，孫園.智能電器控制板EMC 仿真與優化［J］.電氣技術，2010(12):41－43.

［3］Zhou Pingqiang，Karthikk Sridharan，Sachin S Sapatnekar.Optimizing Decoupling in 3D Circuits for Power Grid Integrity［J］.IEEE Design and Test of Computers，2009，26(5):15－25.

［4］郭虎崗，劉俊，馬喜宏.混合集成電路的電磁兼容設計［J］.微計算機信息，2008，308－310.

［5］趙博，張洪亮.Ansoft 12 在工程電磁場中的應用［M］.中國水利水電出版社，2010.

［6］錢振宇，史建華.開關電源的電磁兼容性設計、測試和典型案例［M］.北京:電子工業出版社，2011:2－5.