開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI預(yù)測探討

　　除了元器件選取、電路及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PCB的布局、布線設(shè)計(jì)、線路板加工對(duì)電磁兼容會(huì)造成很大影響，是一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。由于開關(guān)電源的PCB布線基本上都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)手工布置，有很大的隨意性，這就增加了PCB分布參數(shù)提取的難度。PCB的寄生參數(shù)會(huì)造成開關(guān)電源噪聲傳播途徑的阻抗變化，影響控制器對(duì)開關(guān)電源輸出電壓電流的控制作用。PCB的布局不合理還會(huì)形成開關(guān)電源向外輻射電磁干擾的途徑，同時(shí)也會(huì)通過該途徑吸收外界電磁干擾，從而降低開關(guān)電源的電磁干擾抗擾度。所以PCB的布局布線是開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)中極為重要的環(huán)節(jié)。

　　對(duì)于傳導(dǎo)干擾，寄生參數(shù)的提取精確度是通過仿真有效預(yù)測EMI水平的關(guān)鍵。盡管對(duì)于結(jié)構(gòu)簡單的元件來說，寄生參數(shù)是很容易計(jì)算的，但是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的元件來說，并不是那么容易就能得到寄生參數(shù)，例如多層板和直流母線的寄生參數(shù)。

　　為了建立開關(guān)電源PCB的高頻模型，需要對(duì)PCB的結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)進(jìn)行抽取。提取PCB寄生參數(shù)的方法有很多，其中TDR(時(shí)域反射)方法可以在不知道實(shí)際幾何形狀的情況下對(duì)寄生電感和寄生電容進(jìn)行提取，但是TDR(時(shí)域反射)方法需要時(shí)域反射儀，用于樣機(jī)建成后，這就使開發(fā)成本大大增加，而且TDR方法不能尋找到復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的耦合效應(yīng);然而FEA(有限元分析)方法則可以克服這一缺點(diǎn)，用于樣機(jī)建成前。利用FEA工具可以準(zhǔn)確地得到PCB的寄生參數(shù)，并能考慮復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的耦合情況。

　　有很多對(duì)PCB結(jié)構(gòu)進(jìn)行寄生參數(shù)抽取軟件，如InCa,SIwave,Q3D 等，分別用不同的方法對(duì)PCB的寄生參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和提取，如部分元等效電路方法、有限元分析方法、有限元分析方法和矩量法結(jié)合的方法等。其中InCa軟件只能計(jì)算分布電感，不適合計(jì)算分布電容，不宜處理共模干擾的仿真分析;SIwave軟件提取出來的是電路的S參數(shù)，不能清晰地反映PCB中的耦合情況及其對(duì)開關(guān)電源EMI的影響;Q3D 軟件利用FEA 和MOM結(jié)合的方法求解電磁場，可以得到PEEC部分元等效電路，也可以得到PCB上各導(dǎo)體的互感互容，可以清晰地分析各種情況下PCB結(jié)構(gòu)對(duì)開關(guān)電源EMI的影響。

　　J.Ekman提出了基于寄生參數(shù)矩陣的等效電路的建立方法，即把所有互感、互容等效成受控的電壓源，與自感、自容連接(相當(dāng)于把所有互感、互容對(duì)電路的影響等效到受控電壓源上)，從而建立等效電路模型。圖4所示為任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的等效電路模型。

　　圖4　任意兩節(jié)點(diǎn)間的等效電路模型

　　圖4中：

　　式中：Lpmn為m和n兩導(dǎo)線間的互感。

　　雖然這樣可以提高仿真的準(zhǔn)確性，但是加大了分析的計(jì)算量，可以通過忽略一些對(duì)結(jié)果影響不是很大的互感、互容，減少計(jì)算量。

　　散熱片與開關(guān)管之間會(huì)有電容效應(yīng)，噪聲可以通過該效應(yīng)在電路和地之間進(jìn)行傳播，文獻(xiàn)【9】對(duì)散熱片在開關(guān)電源傳導(dǎo)和輻射干擾中的影響作了詳細(xì)的闡述。

　　還有其他的在空間通過電感或電容耦合傳到接收器的噪聲，不可以忽略。

　　模型建立之后，就可以使用仿真軟件對(duì)開關(guān)電源EMI進(jìn)行仿真，得到開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI的頻譜波形，通過分析波形可以定位開關(guān)電源EMI的問題所在，進(jìn)而通過解決該問題而降低EMI。