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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)于半橋變換器，開關(guān)管Q1 的漏級(jí)電壓始終為U1，源級(jí)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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?duì)于共模電流，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(chǎng)，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(jí)之間的分布電容Cps、電源線對(duì)地線的阻抗、變壓器次級(jí)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(duì)共模噪聲有一定的抑制作用，但因繞組間分布電容使它對(duì)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(duì)共模干擾的抑制作用可用初次級(jí)間的分布電容和設(shè)備對(duì)地分布電容之比值來估算。通常初次級(jí)間的分布電容為幾百pF，設(shè)備對(duì)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(duì)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(jí)間增設(shè)屏蔽層。屏蔽層對(duì)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(jí)的中線端。對(duì)50Hz 工頻信號(hào)來說，由于初級(jí)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(jí)，而未被衰減。對(duì)頻率較高的差模干擾，由于初級(jí)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(jí)中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而不進(jìn)入次級(jí)回路。

因此，對(duì)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(duì)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(cè)量設(shè)備對(duì)變壓器的主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(cè)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。