摘要：針對開關(guān)電源設(shè)計階段應(yīng)考慮的EMC問題，介紹了PCB及其結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)提取和頻域仿真的方法，在開關(guān)電源設(shè)計階段對其傳導(dǎo)EMI進(jìn)行預(yù)測，定位開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI傳播路徑的影響因素，在此基礎(chǔ)上給出開關(guān)電源PCB及其結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則。對開關(guān)電源EMI預(yù)測過程中需要注意的問題以及降低開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI的方法策略進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1引言

隨著開關(guān)頻率的提高以及功率密度的增加，開關(guān)電源內(nèi)部的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，其電磁兼容問題成為電源設(shè)計中的一大重點，同時也成為電源設(shè)計工作的一大難點。常規(guī)設(shè)計方法中，依靠經(jīng)驗設(shè)計處理EMC問題，樣機(jī)建立完畢之后才能對EMC問題做最后的考慮。傳統(tǒng)的EMC的補(bǔ)救辦法只能增加額外的元器件，而增加元件有可能影響原始的控制環(huán)帶寬，造成重新設(shè)計整個系統(tǒng)的最壞情況，增加了設(shè)計成本。為了避免出現(xiàn)這樣的情況，需要在設(shè)計過程中考慮EMC的問題，對開關(guān)電源的EMI進(jìn)行一定精度的分析和預(yù)測，并根據(jù)干擾產(chǎn)生的機(jī)理及其在各頻帶的分布情況改進(jìn)設(shè)計，降低EMI水平，從而降低設(shè)計成本。

2開關(guān)電源EMI特點及分類

對開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾進(jìn)行預(yù)測，首先需要明確其產(chǎn)生機(jī)理以及噪聲源的各項特性。由于功率開關(guān)管的高速開關(guān)動作，其電壓和電流變化率都很高，上升沿和下降沿包含了豐富的高次諧波，所以產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度大；開關(guān)電源的電磁干擾主要集中在二極管、功率開關(guān)器件以及與其相連的散熱器和高頻變壓器附近；由于開關(guān)管的開關(guān)頻率從幾十kHz到幾MHz，所以開關(guān)電源的干擾形式主要是傳導(dǎo)干擾和近場干擾。其中，傳導(dǎo)干擾會通過噪聲傳播路徑注入電網(wǎng)，干擾接入電網(wǎng)的其他設(shè)備。

開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾分為2大類。

1）差模（DM）干擾。DM噪聲主要由di/dt引起，通過寄生電感，電阻在火線和零線之間的回路中傳播，在兩根線之間產(chǎn)生電流Idm，不與地線構(gòu)成回路。

2）共模（CM）干擾。CM噪聲主要由dv/dt引起，通過PCB的雜散電容在兩條電源線與地的回路中傳播，干擾侵入線路和地之間，干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路；在實際電路中由于線路阻抗不平衡，使共模信號干擾會轉(zhuǎn)化為不易消除的串?dāng)_干擾。

3開關(guān)電源EMI的仿真分析

從理論上來講，無論是時域仿真還是頻域仿真，只要建立了合理的分析模型，其仿真結(jié)果都能正確反映系統(tǒng)的EMI量化程度。

時域仿真方法需要建立變換器中包含所有元件參數(shù)的電路模型，利用PSPICE或Saber軟件進(jìn)行仿真分析，使用快速傅里葉分析工具得到EMI的頻譜波形，這種方法在DM噪聲的分析中已經(jīng)得到了驗證。然而開關(guān)電源中的非線性元件如MOSFET，IGBT等半導(dǎo)體器件，其非線性特性和雜散參數(shù)使模型非常復(fù)雜，同時開關(guān)電源電路工作時其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷改變，導(dǎo)致了仿真中出現(xiàn)不收斂的問題。在研究CM噪聲時，必須包含所有的寄生元件參數(shù)，由于寄生參數(shù)的影響，F(xiàn)FT結(jié)果和實驗結(jié)果很難吻合；開關(guān)功率變換器通常工作在很大的時間常數(shù)范圍內(nèi)，主要包括3組時間常數(shù)：與輸出端的基本頻率有關(guān)的時間常數(shù)（幾十ms）；與開關(guān)元件的開關(guān)頻率有關(guān)的時間常數(shù)（幾十μｓ）；與開關(guān)元件導(dǎo)通或關(guān)斷時的上升時間和下降時間有關(guān)的時間常數(shù)（幾ns）。

正因如此，在時域仿真中，必須使用非常小的計算步長，并且需要用很長時間才能完成計算；另外，時域方法得到的結(jié)果往往不能清晰地分析電路中各個變量對干擾的影響，不能深層解釋開關(guān)電源的EMI行為，而且缺乏對EMI機(jī)理的判斷，不能為降低EMI給出明確的解決方案。

頻域仿真是基于噪聲源和傳播途徑阻抗模型基礎(chǔ)上的分析方法。利用LISN為噪聲源提供標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載阻抗。如圖1所示，從LISN看過去，整個系統(tǒng)可以簡化成噪聲源、噪聲路徑和噪聲接收器（LISN）。頻域方法可以大大降低仿真計算的時間，一般不會出現(xiàn)計算結(jié)果不收斂的情況。