工程師：開關(guān)電源PCB電磁兼容(EMC)性建模分析

開關(guān)電源的共模干擾和差模干擾對電路的影響是不同的，通常低頻時(shí)差模噪聲占主導(dǎo)地位，高頻時(shí)共模噪聲占主導(dǎo)地位，而且共模電流的輻射作用通常比差模電流的輻射作用要大得多，因此，區(qū)分電源中的差模干擾和共模干擾是很有必要的。

為了區(qū)分出差模干擾和共模干擾，首先需要對開關(guān)電源的基本耦合方式進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上我們才能建立差模噪聲電流和共模噪聲電流的電路路徑。開關(guān)電源的傳導(dǎo)耦合主要有：

電路性傳導(dǎo)耦合、電容性耦合、電感性耦合以及這幾種耦合方式的混合。

共模和差模噪聲路徑模型

開關(guān)電源中由于高頻變壓器原副邊繞組之間存在的耦合電容CW、功率管與散熱器之間存在的雜散電容CK、功率管自身的寄生參數(shù)以及印制導(dǎo)線之間由于相互耦合而形成的互感、自感、互容、自容、阻抗等寄生參數(shù)而構(gòu)成共模噪聲和差模噪聲通路，從而形成共模和差模傳導(dǎo)干擾。在對功率開關(guān)器件、變壓器以及印制導(dǎo)線的電阻、電感、電容的寄生參數(shù)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，可獲得變換器的噪聲電流路徑模型。

電路主要元器件的高頻模型

功率開關(guān)管的內(nèi)部寄生電感、電容影響到電路的高頻性能，這些電容使得高頻干擾漏電流流向金屬基板，而且功率管與散熱器之間存在著一個(gè)雜散電容CK ，出于安全的原因，散熱器通常是接地的，這就提供了一條共模噪聲通路。

圖1 半橋變換器示意圖

在PWM變換器工作時(shí)，伴隨著開關(guān)器件的工作，也相應(yīng)產(chǎn)生了共模噪聲。如圖1 所示，對于半橋變換器，開關(guān)管Q1 的漏級電壓始終為U1，源級電位隨開關(guān)狀態(tài)的改變而在0 和U1/2 之間變化；Q2 的源極電位始終為0，漏極電位在0 和U1/2之間變化。為使開關(guān)管和散熱器能保持良好接觸，往往在開關(guān)管底部與散熱器之間加上絕緣墊片或者抹上導(dǎo)熱性能良好的絕緣硅膠。這使得A 點(diǎn)對地之間相當(dāng)于存在一個(gè)并聯(lián)耦合電容CK。當(dāng)開關(guān)管Q1、Q2 的狀態(tài)發(fā)生改變，使A點(diǎn)電位發(fā)生變化時(shí)，就會在CK 上產(chǎn)生噪聲電流Ick，如圖2所示。該電流由散熱器到達(dá)機(jī)殼，而機(jī)殼也即大地與主電源線存在耦合阻抗，形成圖2中虛線所示的共模噪聲通路。于是，共模噪聲電流在地與主電源線的耦合阻抗 Z 上產(chǎn)生壓降，形成共模噪聲。

圖2 開關(guān)管對地電容形成的共模電流回路

隔離變壓器是一種廣泛使用的電源線干擾抑制措施。其基本作用是實(shí)現(xiàn)電路之間的電氣隔離，解決由地線環(huán)路帶來的設(shè)備間相互干擾。對于理想的變壓器，它只能傳送差模電流而不能傳送共模電流，這是因?yàn)閷τ诠材ｋ娏?，它在理想變壓器的兩個(gè)端子之間的電位相同，因此不能在繞組上產(chǎn)生磁場，也就不能夠有共模電流通路了，從而起到了抑制共模噪聲的作用。

而實(shí)際的隔離變壓器原邊和副邊之間有一個(gè)耦合電容CW，這個(gè)耦合電容是由于變壓器的繞組之間存在非電介質(zhì)和物理間隙所產(chǎn)生的，它為共模電流提供了一個(gè)通路。

如圖2 所示，A 點(diǎn)是電路中電壓變化最強(qiáng)的區(qū)域，它也是產(chǎn)生噪聲的最強(qiáng)的區(qū)域。伴隨著電路的高頻開關(guān)工作，該點(diǎn)的高頻電壓通過變壓器初次級之間的分布電容Cps、電源線對地線的阻抗、變壓器次級印制線自身的阻抗、電感、電容等參數(shù)，而形成變壓器的共模噪聲路徑。普通隔離變壓器對共模噪聲有一定的抑制作用，但因繞組間分布電容使它對共模干擾的抑制效果隨頻率升高而下降。普通隔離變壓器對共模干擾的抑制作用可用初次級間的分布電容和設(shè)備對地分布電容之比值來估算。通常初次級間的分布電容為幾百pF，設(shè)備對地分布電容為幾~ 幾十nF，因而共模干擾的衰減值在10~20 倍左右，即20~30dB。為了提高隔離變壓器對共模噪聲的抑制能力，關(guān)鍵是要耦合電容小，為此，可以在變壓器初次級間增設(shè)屏蔽層。屏蔽層對變壓器的能量傳輸無不良影響，但影響繞組間的耦合電容。帶屏蔽層的隔離變壓器除了能抑制共模干擾外，利用屏蔽層還可以抑制差模干擾，具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級的中線端。對50Hz 工頻信號來說，由于初級與屏蔽層構(gòu)成的容抗很高，故仍能通過變壓器效應(yīng)傳遞到次級，而未被衰減。對頻率較高的差模干擾，由于初級與屏蔽層之間的容抗變小，使這部分干擾經(jīng)由分布電容及屏蔽層與初級中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而不進(jìn)入次級回路。

因此，對變壓器的高頻建模非常重要，特別是變壓器的許多寄生參數(shù)，例如：漏感，原副邊之間的分布電容等，它們對共模EMI 電平的高低有著顯著的影響，必須加以考慮。實(shí)際中，可以使用阻抗測量設(shè)備對變壓器的主要參數(shù)進(jìn)行測量，從而獲得這些參數(shù)并進(jìn)行仿真分析。

半橋電路中的直流電解電容Cin有相應(yīng)的串聯(lián)等效電感ESL 和串聯(lián)等效電阻，這兩個(gè)參數(shù)也影響到電路的高頻性能，一般情況下ESL 大約在幾十nH 左右。在實(shí)際分析中，無源元件，如電阻器、電感器和電容器的高頻等效寄生參數(shù)可用高頻阻抗分析儀測得，功率器件的高頻模型可以從電路仿真軟件的模型庫中得到。