開關電源電磁輻射干擾的建模與仿真

崔旭升，李建雄，陳治通，楊慶新，牛萍娟

（1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

開關電源電磁輻射干擾的建模與仿真

崔旭升1，李建雄1，陳治通1，楊慶新2，牛萍娟2

（1.天津工業大學電子與信息工程學院，天津 300387；2.天津工業大學電氣工程與自動化學院，天津 300387）

針對開關電源電磁兼容實驗中輻射干擾的超標問題，提出了印制電路板(PCB)電磁兼容優化設計方法，即采用改進PCB版圖的措施，基于場路結合的方法，在電源設計初期進行互補分析。以典型的Flyback開關電源為研究對象，分析了其電磁干擾產生的機理，建立其高頻電路仿真模型，采用CST設計工作室進行電路行為級仿真。利用CST微波工作室建立PCB的三維場仿真模型，并進行了全波時域仿真。仿真研究了PCB的表面電流和遠場電磁輻射的分布。基于PCB電磁兼容優化設計流程，采取了有效的整改措施，對該電源PCB進行了優化。

電磁兼容；開關電源；場路結合；輻射發射；仿真預測

在功率電子領域，隨著高頻開關電源頻率的提高以及功率密度的增加，其電磁兼容(EMC)問題逐漸引起了人們的關注。開關電源主電路中高幅值、快速變化的電壓或電流會在其周圍產生強烈的交變電磁場，不僅會增強電源對外的電磁輻射，也會對其附近的控制電路等產生電磁干擾(EM I)，成為阻礙開關電源產品順利設計和生產的一個難題[1]。準確地預測開關電源主電路的近、遠場輻射、分布規律和作用，對提高開關電源功率密度、改善開關電源EMC性有著重要意義[1-11]。但是，由于開關電源印制電路板(PCB)物理結構復雜，其輻射干擾仿真預測較為困難[12-13]。近年來，國內外對開關電源的近、遠場電磁效應研究正在深入[2-11]。其中，文獻[2-4]將近場的電磁耦合效應等效為寄生電路參數后進行量化分析；文獻[5-8]利用有限元算法軟件對Buck、Flyback電源主電路、RM磁芯變壓器等空間磁場分布進行了頻域仿真，獲得開關電源的近場；文獻[9-10]用簡化的解析式和磁偶極子疊加的方法對變換器主電路輻射磁場進行預測；文獻[11]對Flyback開關電源進行時域有限差分(FDTD)方法建模，研究了開放空間中遠場電磁輻射的分布和規律。對于輻射干擾測試超標的問題，解決措施一般以加強濾波[14]、屏蔽、接地為主，較少從源頭PCB上由內及外地解決問題。

針對以上研究現狀，本文首先對開關電源的輻射干擾問題提出了PCB電磁兼容優化設計流程，并以一臺典型的Flyback開關電源為研究對象，在全面分析Flyback開關電源主要輻射干擾源的基礎上，建立其電路的精簡高頻仿真模型，提取了主要的輻射干擾源的信號；進而建立精確的三維場仿真模型，導入提取的干擾源信號，仿真得到了PCB的表面電流分布和遠場電磁輻射的分布；最后基于PCB電磁兼容優化設計流程，提出了基于PCB設計降低輻射干擾的優化措施。

1 開關電源的PCB電磁兼容優化設計流程

電子產品的PCB設計對其EMC性能有著至關重要的影響，但是，由于在產品設計的初期階段，工程師沒有足夠的EM I信息可供參考，整個PCB設計只能依靠經驗去感性創作，結果不僅導致產品的設計成本提高和開發周期延長，而且難以優化產品的EMC性能。因此，在PCB設計階段進行板級EMC性能仿真，預測其輻射干擾從而優化PCB走線結構和器件布局，由內及外地解決電磁干擾是最佳的手段。

開關電源具有高功率密度、高d?/dt和di/dt 以及元器件布局相對集中的特點，因此EM I問題非常嚴重，為了采用計算機輔助分析的方法對開關電源輻射干擾進行預測與抑制，提出了開關電源PCB電磁兼容優化設計流程，如圖1所示。

圖1 開關電源的PCB電磁兼容優化設計流程

2 電磁輻射干擾機理分析和干擾源的獲取

2.1 干擾機理的分析

為了很好地對開關電源輻射干擾進行仿真研究，本文選擇一款LED燈驅動電源作為研究對象，該Flyback開關電源的電路拓撲結構及其主要參數如圖2所示，初始設計的PCB版圖如圖3所示。220 V交流電經輸入電纜先進行工頻全波整流、輸入濾波電容C1穩壓，然后經過高頻變壓器T反激變換，在T副邊降至40 V，最后經快速恢復整流二極管D1、輸出濾波電容C2、C3及輸出電纜給負載提供14W功率，電路工作在非連續模式；恩智浦SSL1523P為其恒流控制芯片，芯片內置功率開關管M 1，開關頻率100 kHz，最大占空比為75%；并聯在M 1和D1兩端的RS1、DS1、CS1、Ci1、Ri1構成電源的緩沖電路，C4為共模干擾抑制電容，從電路原理圖角度出發，用來減少開關器件導通或關斷產生的開關應力和電磁干擾問題；PCB中未標注的元器件構成該電源的恒流反饋控制網絡。

圖2 Flyback開關電源及其主要輻射源

圖3 Flyback開關電源PCB布局布線圖

高d?/dt 的導體均是電場輻射源，高di/dt的導體均是磁場輻射源，因此本開關電源的電場輻射源主要為T與M 1漏極相連的走線E；磁場輻射源主要為原邊高頻電流環路H1和副邊高頻電流環路H2；H1主要流經C1、T原邊繞組和M 1；H2主要流經T副邊繞組、D1和C2，如圖2及圖3所示。

2.2 電磁干擾源的獲取

圖1表明，為了實現PCB電磁兼容優化設計，首先要建立無源元件、有源器件和PCB的高頻EM I仿真模型，即提取元器件和PCB的高頻寄生參數以及建立Pspice器件模型準確描述元器件的實際工作特性，才能建立精確的開關電源EM I高頻仿真模型；然后采用電路仿真軟件進行行為級仿真獲得輻射干擾源波形，進而才能夠采用電磁場仿真軟件對開關電源的輻射干擾特性進行仿真評估，作為PCB電磁干擾優化設計的依據。

（1）無源器件高頻EMI建模

使用阻抗分析儀測量開關電源中R、L、C器件的阻抗曲線，并根據其相應的高頻模型進行擬合，即可得到各器件的高頻仿真模型。其中，高頻變壓器的高頻模型如圖4所示，由勵磁電感Lp、一次繞組寄生電容C1、原邊漏感L1、原邊損耗電阻R1、二次繞組寄生電容C2、副邊漏感L2、副邊損耗電阻R2、磁芯損耗電阻Rc、原邊與副邊間耦合電容C以及理想變壓器T組成。通過Pspice磁設計軟件對該電源設計配套的高頻變壓器，從而獲得上述高頻變壓器模型參數值。

圖4 高頻變壓器模型

（2）有源器件高頻EMI建模

開關電源中有源器件包括功率二極管和驅動控制芯片內置的Mosfet功率開關管。能否描述反向恢復電流和正相恢復電壓是衡量一個功率二極管模型是否精確的標志，同時功率Mosfet的高頻模型必須能夠精確地描述其3個極間非線性電容CGS、CGD、CDS及引線電感[15]，但現有通用的電路仿真軟件自帶的上述器件模型均不符合上述要求。因此，采用Pspice模型編輯器根據有源器件的工作特性曲線進行曲線擬合，從而獲得功率半導體器件的Pspice模型，然后導入到CST設計工作室中供行為級電路仿真使用。

（3）PCB高頻EM I建模

當電路工作在較高頻率下，PCB布線間的分布參數如電容、電感就會成為干擾耦合的通道，同時也可能會影響電路本身的正常工作。因此，提取PCB的分布參數建立其高頻模型成為EMC設計工作的必要環節。本文采用電磁分析軟件CST PCB工作室的部分元等效電路算法，對圖3中PCB的3D結構（包括導體與非導體）提取高頻寄生參數。

將上述各個元器件高頻模型和PCB分布參數模型組合起來，即得到如圖5所示在CST設計工作室中的精確高頻電路仿真模型。

圖5 Flyback開關電源高頻仿真電路模型

利用所建模型在CSTDS軟件中進行瞬態電路仿真可得到原邊電流環路電流、副邊環路電流和功率管漏極電壓，具體波形如圖6所示。

圖6 輻射干擾源信號

3 開關電源板級電磁輻射的場仿真

電路仿真確定了電磁輻射干擾源的波形后，著重研究上述LED燈驅動電路中M 1和D1附近PCB近場的表面電流分布以及PCB在遠場中的電磁場分布。近場的研究有利于電子產品PCB的高密度互連，實現產品小型化，同時遠場輻射干擾的研究可使產品順利通過EMC標準，提高設備的EMC性能。因此，必須同時考慮近場和遠場的仿真。本文采用一款基于時域有限積分法的電磁場仿真軟件：CST微波工作室(MWS)，可以很好地仿真板級EMC問題，給出精確的近、遠場分布。由于本文論及的驅動電源屬于照明類產品，采用的EMC標準為GB17743-2007（等同于CISPR15-2005），仿真將以10m外電場強度的值來描述設備的遠場輻射電磁干擾強度。

執行場仿真之前，首先建立開關電源精確的三維PCB場仿真模型，將Protel軟件繪制的PCB版圖導入到CSTMWS，根據電路原理圖加上所有的無源R、L、C器件以及對電磁輻射有重要影響的元器件三維金屬結構的幾何模型，如電解電容外殼和高頻變壓器[13]；然后在PCB板的M 1和D1處加入圖6所示的輻射干擾電流源和電壓源，啟動CSTMWS的時域求解器進行全波電磁場仿真。仿真得到PCB的表面電流分布和PCB 10m外的電場強度，如圖7和圖8中紅實線所示。

圖7 PCB的表面電流分布

圖8 PCB 10 m外的電場場強

如圖7所示，PCB的表面電流密度比較大的區域是在主電路的原邊高頻電流回路區域，該區域會產生較強的磁場強度，因此，開關電源PCB的控制信號線，如恒流反饋電路中開關管的柵極控制電壓線，或者對磁場敏感的電子器件，都應該繞過該區域。此仿真結果可以充分地為PCB的高密度互連提供參考依據。

如圖8所示，仿真得到的PCB 10m外的電場強度（紅實線）與照明類產品的EMC標準GB17743-2007（藍實線）所要求的10m外場強相比，開關電源產生的電磁輻射在所有頻點都超標。因此，基于上述分析，采取本文提出的PCB電磁兼容優化設計流程，對PCB布線及元器件布局進行重新設計；在本開關電源板級EMC仿真設計中，采取了如下優化措施以減小輻射效率：

（1）走線E的長度減小至原來的1/2；

（2）根據鏡像原理，在H1原邊環路對應的PCB下方覆一層金屬地平面，可有效減少電磁輻射；

（3）采取分層走線和調整器件布局的方法，使H1、H2的回路面積減小約50%。

將優化后的PCB（如圖9所示）導入到CSTMWS中，加入元器件模型及干擾源重新進行仿真，得到10m外電場強度，如圖8中黑虛線所示。將PCB優化前后進行對比，從圖8中可以看到，采取相應的優化措施后干擾降低了20～30 dBμV，符合EMC標準規定的限值。

圖9 優化后的PCB布局布線圖

4 結論

（1）本文采用Pspice、CST印制板工作室等多種軟件和方法建立了開關電源高頻電路仿真模型；

（2）分析了開關電源內部輻射干擾源，采用CSTDS軟件進行了行為級電路仿真，得到了電壓輻射源和電流輻射源；

（3）在得到開關電源輻射干擾源基礎上，利用CSTMWS建立三維PCB場仿真模型，得到了PCB上表面電流密度分布以及板外10 m處的電場值，為功率電源高密度互連及其EMC的預評估提供了良好的參考；

（4）提出了PCB電磁兼容優化設計流程，并采用此流程方法對本文涉及的Flyback開關電源PCB的布局和布線進行了優化。

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Modeling and simulation of electromagnetic radiation interference in sw itchedmode power supply

CUIXu-sheng1,LIJian-xiong1,CHEN Zhi-tong1,YANGQing-xin2,NIU Ping-juan2

A printed circuit board(PCB)electromagnetic compatibility optim ization design method was presented to deal w ith the radiation interference excess issue in a sw itched mode power supp ly electromagnetic compatibility experiment.The method using im proving PCB layoutmeasure and based on the field-circuit combination method, complementary analysis was conducted during the initial power supply design.After analyzing the causes of the electromagnetic radiation interference around a typical Flyback sw itched mode power supply,an high frequency circuit simulationmodelwas established,and using CST design studio，circuitbehavior simulation was conducted. Through CSTm icrowave studio,PCB three-dimension field simulation modelwas established,and the full-wave time-domain simulation was conducted.The surface current of the PCB and the distribution of far-field electromagnetic radiation were simulated.According to the PCB electromagnetic com patibility optim ization design method,effective rectificationmeasures were proposed to optim ize the PCB of the power supply.

electromagnetic compatibility;sw itched mode power supply;field-circuit combination;radiation em ission; simulation prediction

TM 64

A

1002-087 X(2014)05-0969-04

2013-10-25

天津市應用基礎及前沿技術研究計劃重點項目(10JCZDJC15400)

崔旭升(1987—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為電磁兼容。