電磁仿真技術在電源設計中的應用

卿文強，張力行，陳明波，路 超

（中國電子科技集團公司第三十研究所 四川 成都 610041）

電磁仿真技術在電源設計中的應用

卿文強，張力行，陳明波，路 超

（中國電子科技集團公司第三十研究所 四川 成都 610041）

基于增強電子設備的電源設計能力，拓展電源設計手段及方法，提高電子設備電磁兼容性能的目的，在電子設備的電源設計及系統供電設計過程中采用電磁仿真技術，搭建虛擬設計驗證平臺，按照GJB151A-1997的標準要求，通過了國軍標電磁兼容試驗室測試驗證，證明在電源設計中引入電磁仿真技術，采用規范法和系統法，能有效降低電子設備后期電磁兼容性能試驗成本，增強整機電源設計能力，提高電子設備電磁兼容性能，并對電源設計存在的弊端進行了分析，同時闡述了電磁仿真技術的功能和作用。

電源設計；電磁仿真；規范法；系統法

隨著科學技術的不斷發展和進步，電子設備及相關產品日新月異，已經成為人們工作和生活不可或缺的一部分。越來越多的電子設備被近距離地安裝于同一空間內，從而直接導致了設備間的相互電磁干擾。同時，電子設備的體積越來越小，在狹小的空間設計了大量的大規模集成電路，這樣將使功能電路間產生更加嚴重的電磁干擾。為了確保整個系統準確、可靠地工作和操作人員的健康，有必要對電源的電磁兼容性進行定量分析和計算[1]。因此，電路設計中的電磁設計越來越受到現代電子工程設計人員的關注和重視，尤其是作為設備的“心臟”---電源設計。電源的電磁特性是進行電源設計時必須考慮的關鍵問題。

1 現行電源概況和存在弊端

目前在電力電子設備中常用的電源分為線性穩壓電源和開關電源。

線性穩壓電源是指在穩壓電源電路中的調整管是工作在線性放大區。其工作過程為：將220 V，50 Hz的工頻電壓經過線性變壓器降壓以后，再經過整流、濾波和線性穩壓，最后輸出一個波紋電壓和穩定性能均符合輸出要求的直流電壓。

圖1 線性電源電路基本框圖Fig.1 Basic linear power supply circuit diagram

然而電子技術的不斷發展和進步，對電源設計的要求也越來越高，線性穩壓電源因體積大、效率低、功耗大、溫升高等缺點，已不能滿足現代電子設備的發展需求[2]。因此，開關穩壓電源就應運而生，開關穩壓電源具有體積小、重量輕、功耗小、效率高等特點，彌補了線性穩壓電源的不足之處。開關穩壓電源一般分為DC/DC和AC/DC。

圖2 AC/DC開關電源電路基本框圖Fig.2 AC/DC switching power supply circuit diagram of the basic

輸入電為交流電壓的開關穩壓電源，從交流電網獲得的交流電在經過整流、濾波電路后形成直流電，通過高頻PWM（脈沖寬度調制）信號控制開關管將直流電加到開關高頻變壓器初級上，此時開關變壓器次級感應出高頻電壓，再通過整流濾波輸出直流電壓。輸出部分通過取樣、比較、放大和驅動等電路對控制回路進行反饋，調制功率開關管的占空比，得到穩定的直流輸出電壓。

而輸入電為直流電壓的開關穩壓電源，經變換器變換為單極性脈沖電壓，再經輸出濾波電路，即可得到所需的直流電壓。

雖然開關穩壓電源具有體積小、功耗小、效率高以及電路形式靈活多樣等優點，但是其基本工作原理決定了開關穩壓電源存在著比較嚴重的電磁干擾問題。電源的電磁干擾原因主要有：

1）電源內部開關控制及功率轉換電路間存在寄生電容及電感，容易產生電磁耦合現象，形成傳導電磁干擾，從而影響設備及系統的正常工作；

2）放電電路產生的大電流會導致準靜態強磁場，從而影響反饋數據采集系統，引起電源自動調節電路異常；

3）回路地反彈噪聲太大、去耦電容的設計缺陷、回路布線面積過大、多電源系統地平面分割不合理、多層板地層設計不合理、負載電流不均勻等情況都會導致電源完整性被破壞，可能引發信號系統出現亂碼、漏碼、調制失敗等異?，F象；

4）功率開關管的高頻開斷模式會產生高頻電磁噪聲，影響電源輸出品質，污染電路回路[3]。

2 電磁仿真技術的功能和作用

1）可以使用成熟的智能化設計規范來分析和引導電路設計，并可提供對平面電路進行電磁場分析和優化的功能；

2）允許工程師根據實際情況自定義關鍵器件工作頻率范圍、材料特性、輔助電路參數等，可在時域或者頻域內實現對數字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真和分析；

3）可以提供面向3D平面高頻電路設計系統以及電磁兼容/電磁干擾設計的電磁仿真，并利用多種數學方式解決電磁波的不連續性效應、耦合效應、輻射效應等問題；

4） 可以根據實際情況提供包括 s、y、z參數，VWSR，RLC等效電路，電流模擬分布，近場分布和輻射方向圖，場強方向性，效率和RCS等仿真分析[4]；

5）可以進行任意三維無源結構的高頻電磁場仿真，可以直接得到特征阻抗、傳播常數、輻射場、天線方向圖等結果。

3 電磁仿真在現行電源設計中的應用

開關電源中的主要電路由整流濾波回路、激勵控制電路、輸出監控和反饋電路四個部分組成。其中整流濾波回路部分是高壓組件，其余都是低壓組件。由于開關電源體積小，內部電路復雜，需要找出傳導干擾的主要途徑，對其中的磁性元器件、電路中的互感和分布電容進行重點分析。

1）針對電源設計中的關鍵器件進行電磁仿真，如變壓器、激勵電感、濾波電容等，靈活調整關鍵參數，在短時間內進行多種方案篩選，提高設計效率，降低實驗驗證成本；

2）通過對電路原理圖進行理想參數分析，引入實效性模型仿真，提取電路中的各種寄生參數及等效阻抗，能夠加強對去耦電容及濾波電感進行定量設計，減少經驗性設計[5]；

3）對電源PCB設計進行電磁仿真分析，建立物理模型，對電源工作時產生的地電位不平衡進行仿真分析，有效地為PCB設計提供一個直觀的參照物，從而減少電源電磁特性設計的盲目性；

4）利用PCB整板電磁場掃描設備，獲得近場分布圖的測量結果，將其與電源電磁仿真結果進行對比分析，不斷修正仿真結果與電源設計參數，提高電源電磁仿真的實際吻合度，同時與電磁兼容試驗室測試曲線進行對比驗證，找尋其頻域或時域規律；

5）根據對不同布局布線設計的印刷電路板電磁仿真結果的分析，合理選擇布局設計方案，優化電流回路途徑，減小線間空間耦合，修正完善電源PCB設計，對印制板中的電磁串擾進行有效抑制。

6）分析仿真結果，繪制等效電路圖，剖析電路機理，有效減小或消除電源電路中的串擾電壓、脈動電流等有害參數，降低電源電磁輻射。

4 電磁仿真在電源設計中的應用前景

電子產品集成度日益提高，電源也面臨更高的功率密度、更低的待機功耗、更多的功能需求。同時，數字化電源技術也日趨成熟，電源不再是一個純模擬電路集成體，而是一個復雜的數字電路和模擬電路綜合體，因此必須以規范、系統的方法對其進行設計。電磁仿真能在電源設計初期對復雜電源設計中的電磁問題進行詳細理論分析及電路分析，模擬電源產生電磁干擾的原因，提出抑制電源電磁干擾的措施建議，包括減少干擾源的干擾幅度、破壞及減弱干擾噪聲傳播路徑、合理安排敏感電路和元器件、采取區域屏蔽等，為電源工程師前期設計提供參考。

目前國內對電源設計的電磁仿真技術進行了一定程度的的研究，但是在實際實施階段仍然存在著一些不足。比如在預測PCB上由印制導線上電流產生的近場與輻射干擾時，我們所加的激勵源是理想的信號源，而實際上的情況要復雜得多。又例如開關管從Ton轉換到Toff時形成的關斷電壓尖峰、二極管的反向恢復電流、電感的儲能效應等，而這些器件及電路的非理想特性導致了電磁干擾的形成。因此，電磁仿真技術在電源設計中的應用要堅持規范法和系統法。

規范法是要求每個功能電路設計或電源分系統設計必須遵循預先規定的設計原則，按照己經頒布的電磁兼容標準和規范進行板級供電電路、設備電源、系統供電的設計、生產、調試。其中的設計原則和標準是從實踐試驗中提煉出來的，具有一定技術普遍性，能夠在一定程度上提高電源設計質量，預防電磁噪聲問題的出現。而且實現這些原則和標準的技術手段也相對通用，所以規范法是電子設備電源設計時采用較多的方法。

系統法是利用電磁預測數學模型和試驗數據庫，從開始就預測和分析設備電源和供電系統的電磁特性，并在設備電源或系統供電的方案論證、研制設計、生產制造、試驗定型等階段不斷進行電磁特性分析和預測，修正電源設計措施，以達到最優設計。準確地預測開關電源變換器產生的電磁干擾對于解決系統級的電磁兼容性問題有較強的實際意義。

在某型通信設備正樣的研制過程中采用了規范法和系統法進行電源及供電回路設計，在初樣設備研制及試驗的基礎上建立了電磁仿真數學模型，通過模型仿真對工程設計進行指導及技術修正，在器件選型階段就充分考慮其電磁特性，并對整機設備生產制造過程進行技術約束，最后整機設備在電磁兼容性能方面與初樣比較，EMC試驗效果有顯著提升，下面為輻射發射對比圖例：

圖3 電磁兼容性能測試曲線對比Fig.3 Comparison test of electromagnetic compatibility of the curve

從試驗結果可以看出規范法和系統法在工程設計應用中的實際效果。而系統法的工作是在規范法的基礎上逐步建立準確的數學模型，因此必須通過測試積累一定數量級的數據才能實現，所以大數量級的電源設計數據庫的建立和數據分析是系統法必須要注意的地方，也是系統法可靠實施的關鍵。

5 結束語

電磁仿真技術在電源設計中的應用，能夠有效的抑制電磁干擾，推進設備電源真正實現小型化、智能化、數字化的目標，進一步完善供電系統的基礎設計技術，深入發展電源設計技術機理，強化電源設計技術的基礎作用，提高電路回路中的電源信號完整性。因此加強電磁仿真技術在電源設計中的開發和應用，是電源設計拓寬自身技術領域的方向之一。

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Electromagnetic simulation technology in the application of the power supply design

QING Wen-qiang， ZHANG Li-xing， CHEN Ming-bo， LU Chao
（Institute of China Electronics Technology Group Co.LTD.30， Chengdu 610041， China）

In order to enhance the capacity of the power source design of electronic equipment，expand the power design means and methods，improve the performance of electronic equipment electromagnetic compatibility of electronic equipment in power supply design and system power supply design in the process of using electromagnetic simulation technology，virtual design verification platform，in accordance with the standards of GJB151A-1997 requirements，through the military specifications EMC lab test validation，proved that introduce the electromagnetic simulation technology in power supply design，using the specification method and the method of system，can effectively reduce the electromagnetic compatibility of the electronic equipment in the late test cost and enhance the capacity of the machine power supply design，improve the electromagnetic compatibility of electronic equipment，and analyzes the insufficiency of power supply design，at the same time，this paper expounds the function and role of electromagnetic simulation technology.

Power supply design； electromagnetic simulation； specification method； system method

TN99

A

1674-6236（2014）15-0143-03

2013-11-07 稿件編號：201311066

卿文強（1979—），男，四川成都人，工程師。研究方向：電源技術及電磁兼容技術。