开关电源电磁辐射干扰的建模与仿真

崔旭升，李建雄，陈治通，杨庆新，牛萍娟

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

开关电源电磁辐射干扰的建模与仿真

崔旭升1，李建雄1，陈治通1，杨庆新2，牛萍娟2

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

针对开关电源电磁兼容实验中辐射干扰的超标问题，提出了印制电路板(PCB)电磁兼容优化设计方法，即采用改进PCB版图的措施，基于场路结合的方法，在电源设计初期进行互补分析。以典型的Flyback开关电源为研究对象，分析了其电磁干扰产生的机理，建立其高频电路仿真模型，采用CST设计工作室进行电路行为级仿真。利用CST微波工作室建立PCB的三维场仿真模型，并进行了全波时域仿真。仿真研究了PCB的表面电流和远场电磁辐射的分布。基于PCB电磁兼容优化设计流程，采取了有效的整改措施，对该电源PCB进行了优化。

电磁兼容；开关电源；场路结合；辐射发射；仿真预测

在功率电子领域，随着高频开关电源频率的提高以及功率密度的增加，其电磁兼容(EMC)问题逐渐引起了人们的关注。开关电源主电路中高幅值、快速变化的电压或电流会在其周围产生强烈的交变电磁场，不仅会增强电源对外的电磁辐射，也会对其附近的控制电路等产生电磁干扰(EM I)，成为阻碍开关电源产品顺利设计和生产的一个难题[1]。准确地预测开关电源主电路的近、远场辐射、分布规律和作用，对提高开关电源功率密度、改善开关电源EMC性有着重要意义[1-11]。但是，由于开关电源印制电路板(PCB)物理结构复杂，其辐射干扰仿真预测较为困难[12-13]。近年来，国内外对开关电源的近、远场电磁效应研究正在深入[2-11]。其中，文献[2-4]将近场的电磁耦合效应等效为寄生电路参数后进行量化分析；文献[5-8]利用有限元算法软件对Buck、Flyback电源主电路、RM磁芯变压器等空间磁场分布进行了频域仿真，获得开关电源的近场；文献[9-10]用简化的解析式和磁偶极子叠加的方法对变换器主电路辐射磁场进行预测；文献[11]对Flyback开关电源进行时域有限差分(FDTD)方法建模，研究了开放空间中远场电磁辐射的分布和规律。对于辐射干扰测试超标的问题，解决措施一般以加强滤波[14]、屏蔽、接地为主，较少从源头PCB上由内及外地解决问题。

针对以上研究现状，本文首先对开关电源的辐射干扰问题提出了PCB电磁兼容优化设计流程，并以一台典型的Flyback开关电源为研究对象，在全面分析Flyback开关电源主要辐射干扰源的基础上，建立其电路的精简高频仿真模型，提取了主要的辐射干扰源的信号；进而建立精确的三维场仿真模型，导入提取的干扰源信号，仿真得到了PCB的表面电流分布和远场电磁辐射的分布；最后基于PCB电磁兼容优化设计流程，提出了基于PCB设计降低辐射干扰的优化措施。

1 开关电源的PCB电磁兼容优化设计流程

电子产品的PCB设计对其EMC性能有着至关重要的影响，但是，由于在产品设计的初期阶段，工程师没有足够的EM I信息可供参考，整个PCB设计只能依靠经验去感性创作，结果不仅导致产品的设计成本提高和开发周期延长，而且难以优化产品的EMC性能。因此，在PCB设计阶段进行板级EMC性能仿真，预测其辐射干扰从而优化PCB走线结构和器件布局，由内及外地解决电磁干扰是最佳的手段。

开关电源具有高功率密度、高d?/dt和di/dt 以及元器件布局相对集中的特点，因此EM I问题非常严重，为了采用计算机辅助分析的方法对开关电源辐射干扰进行预测与抑制，提出了开关电源PCB电磁兼容优化设计流程，如图1所示。

图1 开关电源的PCB电磁兼容优化设计流程

2 电磁辐射干扰机理分析和干扰源的获取

2.1 干扰机理的分析

为了很好地对开关电源辐射干扰进行仿真研究，本文选择一款LED灯驱动电源作为研究对象，该Flyback开关电源的电路拓扑结构及其主要参数如图2所示，初始设计的PCB版图如图3所示。220 V交流电经输入电缆先进行工频全波整流、输入滤波电容C1稳压，然后经过高频变压器T反激变换，在T副边降至40 V，最后经快速恢复整流二极管D1、输出滤波电容C2、C3及输出电缆给负载提供14W功率，电路工作在非连续模式；恩智浦SSL1523P为其恒流控制芯片，芯片内置功率开关管M 1，开关频率100 kHz，最大占空比为75%；并联在M 1和D1两端的RS1、DS1、CS1、Ci1、Ri1构成电源的缓冲电路，C4为共模干扰抑制电容，从电路原理图角度出发，用来减少开关器件导通或关断产生的开关应力和电磁干扰问题；PCB中未标注的元器件构成该电源的恒流反馈控制网络。

图2 Flyback开关电源及其主要辐射源

图3 Flyback开关电源PCB布局布线图

高d?/dt 的导体均是电场辐射源，高di/dt的导体均是磁场辐射源，因此本开关电源的电场辐射源主要为T与M 1漏极相连的走线E；磁场辐射源主要为原边高频电流环路H1和副边高频电流环路H2；H1主要流经C1、T原边绕组和M 1；H2主要流经T副边绕组、D1和C2，如图2及图3所示。

2.2 电磁干扰源的获取

图1表明，为了实现PCB电磁兼容优化设计，首先要建立无源元件、有源器件和PCB的高频EM I仿真模型，即提取元器件和PCB的高频寄生参数以及建立Pspice器件模型准确描述元器件的实际工作特性，才能建立精确的开关电源EM I高频仿真模型；然后采用电路仿真软件进行行为级仿真获得辐射干扰源波形，进而才能够采用电磁场仿真软件对开关电源的辐射干扰特性进行仿真评估，作为PCB电磁干扰优化设计的依据。

（1）无源器件高频EMI建模

使用阻抗分析仪测量开关电源中R、L、C器件的阻抗曲线，并根据其相应的高频模型进行拟合，即可得到各器件的高频仿真模型。其中，高频变压器的高频模型如图4所示，由励磁电感Lp、一次绕组寄生电容C1、原边漏感L1、原边损耗电阻R1、二次绕组寄生电容C2、副边漏感L2、副边损耗电阻R2、磁芯损耗电阻Rc、原边与副边间耦合电容C以及理想变压器T组成。通过Pspice磁设计软件对该电源设计配套的高频变压器，从而获得上述高频变压器模型参数值。

图4 高频变压器模型

（2）有源器件高频EMI建模

开关电源中有源器件包括功率二极管和驱动控制芯片内置的Mosfet功率开关管。能否描述反向恢复电流和正相恢复电压是衡量一个功率二极管模型是否精确的标志，同时功率Mosfet的高频模型必须能够精确地描述其3个极间非线性电容CGS、CGD、CDS及引线电感[15]，但现有通用的电路仿真软件自带的上述器件模型均不符合上述要求。因此，采用Pspice模型编辑器根据有源器件的工作特性曲线进行曲线拟合，从而获得功率半导体器件的Pspice模型，然后导入到CST设计工作室中供行为级电路仿真使用。

（3）PCB高频EM I建模

当电路工作在较高频率下，PCB布线间的分布参数如电容、电感就会成为干扰耦合的通道，同时也可能会影响电路本身的正常工作。因此，提取PCB的分布参数建立其高频模型成为EMC设计工作的必要环节。本文采用电磁分析软件CST PCB工作室的部分元等效电路算法，对图3中PCB的3D结构（包括导体与非导体）提取高频寄生参数。

将上述各个元器件高频模型和PCB分布参数模型组合起来，即得到如图5所示在CST设计工作室中的精确高频电路仿真模型。

图5 Flyback开关电源高频仿真电路模型

利用所建模型在CSTDS软件中进行瞬态电路仿真可得到原边电流环路电流、副边环路电流和功率管漏极电压，具体波形如图6所示。

图6 辐射干扰源信号

3 开关电源板级电磁辐射的场仿真

电路仿真确定了电磁辐射干扰源的波形后，着重研究上述LED灯驱动电路中M 1和D1附近PCB近场的表面电流分布以及PCB在远场中的电磁场分布。近场的研究有利于电子产品PCB的高密度互连，实现产品小型化，同时远场辐射干扰的研究可使产品顺利通过EMC标准，提高设备的EMC性能。因此，必须同时考虑近场和远场的仿真。本文采用一款基于时域有限积分法的电磁场仿真软件：CST微波工作室(MWS)，可以很好地仿真板级EMC问题，给出精确的近、远场分布。由于本文论及的驱动电源属于照明类产品，采用的EMC标准为GB17743-2007（等同于CISPR15-2005），仿真将以10m外电场强度的值来描述设备的远场辐射电磁干扰强度。

执行场仿真之前，首先建立开关电源精确的三维PCB场仿真模型，将Protel软件绘制的PCB版图导入到CSTMWS，根据电路原理图加上所有的无源R、L、C器件以及对电磁辐射有重要影响的元器件三维金属结构的几何模型，如电解电容外壳和高频变压器[13]；然后在PCB板的M 1和D1处加入图6所示的辐射干扰电流源和电压源，启动CSTMWS的时域求解器进行全波电磁场仿真。仿真得到PCB的表面电流分布和PCB 10m外的电场强度，如图7和图8中红实线所示。

图7 PCB的表面电流分布

图8 PCB 10 m外的电场场强

如图7所示，PCB的表面电流密度比较大的区域是在主电路的原边高频电流回路区域，该区域会产生较强的磁场强度，因此，开关电源PCB的控制信号线，如恒流反馈电路中开关管的栅极控制电压线，或者对磁场敏感的电子器件，都应该绕过该区域。此仿真结果可以充分地为PCB的高密度互连提供参考依据。

如图8所示，仿真得到的PCB 10m外的电场强度（红实线）与照明类产品的EMC标准GB17743-2007（蓝实线）所要求的10m外场强相比，开关电源产生的电磁辐射在所有频点都超标。因此，基于上述分析，采取本文提出的PCB电磁兼容优化设计流程，对PCB布线及元器件布局进行重新设计；在本开关电源板级EMC仿真设计中，采取了如下优化措施以减小辐射效率：

（1）走线E的长度减小至原来的1/2；

（2）根据镜像原理，在H1原边环路对应的PCB下方覆一层金属地平面，可有效减少电磁辐射；

（3）采取分层走线和调整器件布局的方法，使H1、H2的回路面积减小约50%。

将优化后的PCB（如图9所示）导入到CSTMWS中，加入元器件模型及干扰源重新进行仿真，得到10m外电场强度，如图8中黑虚线所示。将PCB优化前后进行对比，从图8中可以看到，采取相应的优化措施后干扰降低了20～30 dBμV，符合EMC标准规定的限值。

图9 优化后的PCB布局布线图

4 结论

（1）本文采用Pspice、CST印制板工作室等多种软件和方法建立了开关电源高频电路仿真模型；

（2）分析了开关电源内部辐射干扰源，采用CSTDS软件进行了行为级电路仿真，得到了电压辐射源和电流辐射源；

（3）在得到开关电源辐射干扰源基础上，利用CSTMWS建立三维PCB场仿真模型，得到了PCB上表面电流密度分布以及板外10 m处的电场值，为功率电源高密度互连及其EMC的预评估提供了良好的参考；

（4）提出了PCB电磁兼容优化设计流程，并采用此流程方法对本文涉及的Flyback开关电源PCB的布局和布线进行了优化。

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Modeling and simulation of electromagnetic radiation interference in sw itchedmode power supply

CUIXu-sheng1,LIJian-xiong1,CHEN Zhi-tong1,YANGQing-xin2,NIU Ping-juan2

A printed circuit board(PCB)electromagnetic compatibility optim ization design method was presented to deal w ith the radiation interference excess issue in a sw itched mode power supp ly electromagnetic compatibility experiment.The method using im proving PCB layoutmeasure and based on the field-circuit combination method, complementary analysis was conducted during the initial power supply design.After analyzing the causes of the electromagnetic radiation interference around a typical Flyback sw itched mode power supply,an high frequency circuit simulationmodelwas established,and using CST design studio，circuitbehavior simulation was conducted. Through CSTm icrowave studio,PCB three-dimension field simulation modelwas established,and the full-wave time-domain simulation was conducted.The surface current of the PCB and the distribution of far-field electromagnetic radiation were simulated.According to the PCB electromagnetic com patibility optim ization design method,effective rectificationmeasures were proposed to optim ize the PCB of the power supply.

electromagnetic compatibility;sw itched mode power supply;field-circuit combination;radiation em ission; simulation prediction

TM 64

A

1002-087 X(2014)05-0969-04

2013-10-25

天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目(10JCZDJC15400)

崔旭升(1987—)，男，山东省人，硕士研究生，主要研究方向为电磁兼容。