開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI預(yù)測(cè)方法研究

　　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(lái)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(chǎng)，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。

　　5　降低EMI的設(shè)計(jì)方法及策略

　　降低開關(guān)電源EMI，需要從噪聲源和傳播路徑入手。首先，對(duì)于噪聲源，可以通過加吸收電路，減小di/dt和dv/dt來(lái)降低其EMI水平，但是這樣一來(lái)，開關(guān)電源的效率將會(huì)受到影響，需要對(duì)這兩者進(jìn)行一定的取舍。

　　然后是對(duì)傳播路徑進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的目的是要使傳播路徑對(duì)于干擾的阻抗增大，阻斷其向接收器的傳播，而對(duì)于電網(wǎng)提供的功率，阻抗要小，從而增加開關(guān)電源的工作效率。

　　選取元件時(shí)需要盡量選取寄生參數(shù)影響小的元件，比如電容的ESR和ESL要盡量小，電感的寄生電容要小等。在PCB以及散熱片的位置等設(shè)計(jì)過程中，也要盡可能增大對(duì)干擾傳播路徑的阻抗，使噪聲盡可能少的通過PCB路徑傳導(dǎo)到接收器。

　　如果以上所有降低EMI的措施都完成了還沒有達(dá)到EMC的標(biāo)準(zhǔn)，就可以根據(jù)前面仿真分析得到的差模和共模干擾的波形對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，也同樣要注意元件的布局，還有PCB寄生參數(shù)對(duì)濾波器阻抗的影響，其本質(zhì)也是增大對(duì)干擾的阻抗，使干擾無(wú)法通過傳播路徑。開關(guān)電源設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5　開關(guān)電源設(shè)計(jì)流程

　　6　結(jié)論

　　綜上所述，目前對(duì)于開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的預(yù)測(cè)方法有時(shí)域方法和頻域方法兩種，由于時(shí)域方法需要使用很小的計(jì)算步長(zhǎng)，需要花費(fèi)很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間，容易出現(xiàn)仿真結(jié)果不收斂的問題。同時(shí)，時(shí)域仿真得到的結(jié)果往往不能清晰地分析電路中各個(gè)變量對(duì)干擾的影響。而頻域仿真物理意義清晰，更容易判斷各參數(shù)對(duì)EMI的影響，能夠?yàn)榻档虴MI提供有力依據(jù)，關(guān)鍵問題是建立合理的干擾源和傳播途徑的頻域模型。

　　對(duì)于PCB寄生參數(shù)的提取，有很多軟件，這些軟件適合的領(lǐng)域不盡相同，可以根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行選擇。

　　對(duì)于高頻等效電路模型，可以通過電路分析的方法忽略一些對(duì)EMI影響很小的互感、互容等因素，既減少計(jì)算量，又不會(huì)降低過多的計(jì)算精度。

　　降低EMI的主要方法就是使傳播路徑對(duì)電磁干擾的阻抗增大，使電磁干擾盡可能少的通過傳播路徑，對(duì)于濾波器設(shè)計(jì)可以分別根據(jù)DM 噪聲和CM 噪聲的仿真結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且需要特別注意濾波器的元件布局，好的布局能夠更好地抑制噪聲的傳播。