崔旭升，李建雄，陳治通，楊慶新，牛萍娟

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

開(kāi)關(guān)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(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300387）

針對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁兼容實(shí)驗(yàn)中輻射干擾的超標(biāo)問(wèn)題，提出了印制電路板(PCB)電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即采用改進(jìn)PCB版圖的措施，基于場(chǎng)路結(jié)合的方法，在電源設(shè)計(jì)初期進(jìn)行互補(bǔ)分析。以典型的Flyback開(kāi)關(guān)電源為研究對(duì)象，分析了其電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理，建立其高頻電路仿真模型，采用CST設(shè)計(jì)工作室進(jìn)行電路行為級(jí)仿真。利用CST微波工作室建立PCB的三維場(chǎng)仿真模型，并進(jìn)行了全波時(shí)域仿真。仿真研究了PCB的表面電流和遠(yuǎn)場(chǎng)電磁輻射的分布。基于PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，采取了有效的整改措施，對(duì)該電源PCB進(jìn)行了優(yōu)化。

電磁兼容；開(kāi)關(guān)電源；場(chǎng)路結(jié)合；輻射發(fā)射；仿真預(yù)測(cè)

在功率電子領(lǐng)域，隨著高頻開(kāi)關(guān)電源頻率的提高以及功率密度的增加，其電磁兼容(EMC)問(wèn)題逐漸引起了人們的關(guān)注。開(kāi)關(guān)電源主電路中高幅值、快速變化的電壓或電流會(huì)在其周?chē)a(chǎn)生強(qiáng)烈的交變電磁場(chǎng)，不僅會(huì)增強(qiáng)電源對(duì)外的電磁輻射，也會(huì)對(duì)其附近的控制電路等產(chǎn)生電磁干擾(EM I)，成為阻礙開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品順利設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一個(gè)難題[1]。準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)電源主電路的近、遠(yuǎn)場(chǎng)輻射、分布規(guī)律和作用，對(duì)提高開(kāi)關(guān)電源功率密度、改善開(kāi)關(guān)電源EMC性有著重要意義[1-11]。但是，由于開(kāi)關(guān)電源印制電路板(PCB)物理結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其輻射干擾仿真預(yù)測(cè)較為困難[12-13]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)開(kāi)關(guān)電源的近、遠(yuǎn)場(chǎng)電磁效應(yīng)研究正在深入[2-11]。其中，文獻(xiàn)[2-4]將近場(chǎng)的電磁耦合效應(yīng)等效為寄生電路參數(shù)后進(jìn)行量化分析；文獻(xiàn)[5-8]利用有限元算法軟件對(duì)Buck、Flyback電源主電路、RM磁芯變壓器等空間磁場(chǎng)分布進(jìn)行了頻域仿真，獲得開(kāi)關(guān)電源的近場(chǎng)；文獻(xiàn)[9-10]用簡(jiǎn)化的解析式和磁偶極子疊加的方法對(duì)變換器主電路輻射磁場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[11]對(duì)Flyback開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行時(shí)域有限差分(FDTD)方法建模，研究了開(kāi)放空間中遠(yuǎn)場(chǎng)電磁輻射的分布和規(guī)律。對(duì)于輻射干擾測(cè)試超標(biāo)的問(wèn)題，解決措施一般以加強(qiáng)濾波[14]、屏蔽、接地為主，較少?gòu)脑搭^PCB上由內(nèi)及外地解決問(wèn)題。

針對(duì)以上研究現(xiàn)狀，本文首先對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輻射干擾問(wèn)題提出了PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，并以一臺(tái)典型的Flyback開(kāi)關(guān)電源為研究對(duì)象，在全面分析Flyback開(kāi)關(guān)電源主要輻射干擾源的基礎(chǔ)上，建立其電路的精簡(jiǎn)高頻仿真模型，提取了主要的輻射干擾源的信號(hào)；進(jìn)而建立精確的三維場(chǎng)仿真模型，導(dǎo)入提取的干擾源信號(hào)，仿真得到了PCB的表面電流分布和遠(yuǎn)場(chǎng)電磁輻射的分布；最后基于PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，提出了基于PCB設(shè)計(jì)降低輻射干擾的優(yōu)化措施。

1 開(kāi)關(guān)電源的PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

電子產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)對(duì)其EMC性能有著至關(guān)重要的影響，但是，由于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期階段，工程師沒(méi)有足夠的EM I信息可供參考，整個(gè)PCB設(shè)計(jì)只能依靠經(jīng)驗(yàn)去感性創(chuàng)作，結(jié)果不僅導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本提高和開(kāi)發(fā)周期延長(zhǎng)，而且難以優(yōu)化產(chǎn)品的EMC性能。因此，在PCB設(shè)計(jì)階段進(jìn)行板級(jí)EMC性能仿真，預(yù)測(cè)其輻射干擾從而優(yōu)化PCB走線結(jié)構(gòu)和器件布局，由內(nèi)及外地解決電磁干擾是最佳的手段。

開(kāi)關(guān)電源具有高功率密度、高d?/dt和di/dt 以及元器件布局相對(duì)集中的特點(diǎn)，因此EM I問(wèn)題非常嚴(yán)重，為了采用計(jì)算機(jī)輔助分析的方法對(duì)開(kāi)關(guān)電源輻射干擾進(jìn)行預(yù)測(cè)與抑制，提出了開(kāi)關(guān)電源PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。

圖1 開(kāi)關(guān)電源的PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

2 電磁輻射干擾機(jī)理分析和干擾源的獲取

2.1 干擾機(jī)理的分析

為了很好地對(duì)開(kāi)關(guān)電源輻射干擾進(jìn)行仿真研究，本文選擇一款LED燈驅(qū)動(dòng)電源作為研究對(duì)象，該Flyback開(kāi)關(guān)電源的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其主要參數(shù)如圖2所示，初始設(shè)計(jì)的PCB版圖如圖3所示。220 V交流電經(jīng)輸入電纜先進(jìn)行工頻全波整流、輸入濾波電容C1穩(wěn)壓，然后經(jīng)過(guò)高頻變壓器T反激變換，在T副邊降至40 V，最后經(jīng)快速恢復(fù)整流二極管D1、輸出濾波電容C2、C3及輸出電纜給負(fù)載提供14W功率，電路工作在非連續(xù)模式；恩智浦SSL1523P為其恒流控制芯片，芯片內(nèi)置功率開(kāi)關(guān)管M 1，開(kāi)關(guān)頻率100 kHz，最大占空比為75%；并聯(lián)在M 1和D1兩端的RS1、DS1、CS1、Ci1、Ri1構(gòu)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(fā)，用來(lái)減少開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)應(yīng)力和電磁干擾問(wèn)題；PCB中未標(biāo)注的元器件構(gòu)成該電源的恒流反饋控制網(wǎng)絡(luò)。

圖2 Flyback開(kāi)關(guān)電源及其主要輻射源

圖3 Flyback開(kāi)關(guān)電源PCB布局布線圖

高d?/dt 的導(dǎo)體均是電場(chǎng)輻射源，高di/dt的導(dǎo)體均是磁場(chǎng)輻射源，因此本開(kāi)關(guān)電源的電場(chǎng)輻射源主要為T(mén)與M 1漏極相連的走線E；磁場(chǎng)輻射源主要為原邊高頻電流環(huán)路H1和副邊高頻電流環(huán)路H2；H1主要流經(jīng)C1、T原邊繞組和M 1；H2主要流經(jīng)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(shí)現(xiàn)PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先要建立無(wú)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(shù)以及建立Pspice器件模型準(zhǔn)確描述元器件的實(shí)際工作特性，才能建立精確的開(kāi)關(guān)電源EM I高頻仿真模型；然后采用電路仿真軟件進(jìn)行行為級(jí)仿真獲得輻射干擾源波形，進(jìn)而才能夠采用電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)開(kāi)關(guān)電源的輻射干擾特性進(jìn)行仿真評(píng)估，作為PCB電磁干擾優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)。

（1）無(wú)源器件高頻EMI建模

使用阻抗分析儀測(cè)量開(kāi)關(guān)電源中R、L、C器件的阻抗曲線，并根據(jù)其相應(yīng)的高頻模型進(jìn)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(lì)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(guò)Pspice磁設(shè)計(jì)軟件對(duì)該電源設(shè)計(jì)配套的高頻變壓器，從而獲得上述高頻變壓器模型參數(shù)值。

圖4 高頻變壓器模型

（2）有源器件高頻EMI建模

開(kāi)關(guān)電源中有源器件包括功率二極管和驅(qū)動(dòng)控制芯片內(nèi)置的Mosfet功率開(kāi)關(guān)管。能否描述反向恢復(fù)電流和正相恢復(fù)電壓是衡量一個(gè)功率二極管模型是否精確的標(biāo)志，同時(shí)功率Mosfet的高頻模型必須能夠精確地描述其3個(gè)極間非線性電容CGS、CGD、CDS及引線電感[15]，但現(xiàn)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(jù)有源器件的工作特性曲線進(jìn)行曲線擬合，從而獲得功率半導(dǎo)體器件的Pspice模型，然后導(dǎo)入到CST設(shè)計(jì)工作室中供行為級(jí)電路仿真使用。

（3）PCB高頻EM I建模

當(dāng)電路工作在較高頻率下，PCB布線間的分布參數(shù)如電容、電感就會(huì)成為干擾耦合的通道，同時(shí)也可能會(huì)影響電路本身的正常工作。因此，提取PCB的分布參數(shù)建立其高頻模型成為EMC設(shè)計(jì)工作的必要環(huán)節(jié)。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(duì)圖3中PCB的3D結(jié)構(gòu)（包括導(dǎo)體與非導(dǎo)體）提取高頻寄生參數(shù)。

將上述各個(gè)元器件高頻模型和PCB分布參數(shù)模型組合起來(lái)，即得到如圖5所示在CST設(shè)計(jì)工作室中的精確高頻電路仿真模型。

圖5 Flyback開(kāi)關(guān)電源高頻仿真電路模型

利用所建模型在CSTDS軟件中進(jìn)行瞬態(tài)電路仿真可得到原邊電流環(huán)路電流、副邊環(huán)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(hào)

3 開(kāi)關(guān)電源板級(jí)電磁輻射的場(chǎng)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(qū)動(dòng)電路中M 1和D1附近PCB近場(chǎng)的表面電流分布以及PCB在遠(yuǎn)場(chǎng)中的電磁場(chǎng)分布。近場(chǎng)的研究有利于電子產(chǎn)品PCB的高密度互連，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化，同時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射干擾的研究可使產(chǎn)品順利通過(guò)EMC標(biāo)準(zhǔn)，提高設(shè)備的EMC性能。因此，必須同時(shí)考慮近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的仿真。本文采用一款基于時(shí)域有限積分法的電磁場(chǎng)仿真軟件：CST微波工作室(MWS)，可以很好地仿真板級(jí)EMC問(wèn)題，給出精確的近、遠(yuǎn)場(chǎng)分布。由于本文論及的驅(qū)動(dòng)電源屬于照明類(lèi)產(chǎn)品，采用的EMC標(biāo)準(zhǔn)為GB17743-2007（等同于CISPR15-2005），仿真將以10m外電場(chǎng)強(qiáng)度的值來(lái)描述設(shè)備的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射電磁干擾強(qiáng)度。

執(zhí)行場(chǎng)仿真之前，首先建立開(kāi)關(guān)電源精確的三維PCB場(chǎng)仿真模型，將Protel軟件繪制的PCB版圖導(dǎo)入到CSTMWS，根據(jù)電路原理圖加上所有的無(wú)源R、L、C器件以及對(duì)電磁輻射有重要影響的元器件三維金屬結(jié)構(gòu)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(dòng)CSTMWS的時(shí)域求解器進(jìn)行全波電磁場(chǎng)仿真。仿真得到PCB的表面電流分布和PCB 10m外的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖7和圖8中紅實(shí)線所示。

圖7 PCB的表面電流分布

圖8 PCB 10 m外的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)

如圖7所示，PCB的表面電流密度比較大的區(qū)域是在主電路的原邊高頻電流回路區(qū)域，該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，因此，開(kāi)關(guān)電源PCB的控制信號(hào)線，如恒流反饋電路中開(kāi)關(guān)管的柵極控制電壓線，或者對(duì)磁場(chǎng)敏感的電子器件，都應(yīng)該繞過(guò)該區(qū)域。此仿真結(jié)果可以充分地為PCB的高密度互連提供參考依據(jù)。

如圖8所示，仿真得到的PCB 10m外的電場(chǎng)強(qiáng)度（紅實(shí)線）與照明類(lèi)產(chǎn)品的EMC標(biāo)準(zhǔn)GB17743-2007（藍(lán)實(shí)線）所要求的10m外場(chǎng)強(qiáng)相比，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁輻射在所有頻點(diǎn)都超標(biāo)。因此，基于上述分析，采取本文提出的PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，對(duì)PCB布線及元器件布局進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；在本開(kāi)關(guān)電源板級(jí)EMC仿真設(shè)計(jì)中，采取了如下優(yōu)化措施以減小輻射效率：

（1）走線E的長(zhǎng)度減小至原來(lái)的1/2；

（2）根據(jù)鏡像原理，在H1原邊環(huán)路對(duì)應(yīng)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(diào)整器件布局的方法，使H1、H2的回路面積減小約50%。

將優(yōu)化后的PCB（如圖9所示）導(dǎo)入到CSTMWS中，加入元器件模型及干擾源重新進(jìn)行仿真，得到10m外電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖8中黑虛線所示。將PCB優(yōu)化前后進(jìn)行對(duì)比，從圖8中可以看到，采取相應(yīng)的優(yōu)化措施后干擾降低了20～30 dBμV，符合EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

圖9 優(yōu)化后的PCB布局布線圖

4 結(jié)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(kāi)關(guān)電源高頻電路仿真模型；

（2）分析了開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部輻射干擾源，采用CSTDS軟件進(jìn)行了行為級(jí)電路仿真，得到了電壓輻射源和電流輻射源；

（3）在得到開(kāi)關(guān)電源輻射干擾源基礎(chǔ)上，利用CSTMWS建立三維PCB場(chǎng)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(chǎng)值，為功率電源高密度互連及其EMC的預(yù)評(píng)估提供了良好的參考；

（4）提出了PCB電磁兼容優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，并采用此流程方法對(duì)本文涉及的Flyback開(kāi)關(guān)電源PCB的布局和布線進(jìn)行了優(yōu)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(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(10JCZDJC15400)

崔旭升(1987—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒荨?/p>