电磁仿真技术在电源设计中的应用

卿文强，张力行，陈明波，路 超

（中国电子科技集团公司第三十研究所 四川 成都 610041）

电磁仿真技术在电源设计中的应用

卿文强，张力行，陈明波，路 超

（中国电子科技集团公司第三十研究所 四川 成都 610041）

基于增强电子设备的电源设计能力，拓展电源设计手段及方法，提高电子设备电磁兼容性能的目的，在电子设备的电源设计及系统供电设计过程中采用电磁仿真技术，搭建虚拟设计验证平台，按照GJB151A-1997的标准要求，通过了国军标电磁兼容试验室测试验证，证明在电源设计中引入电磁仿真技术，采用规范法和系统法，能有效降低电子设备后期电磁兼容性能试验成本，增强整机电源设计能力，提高电子设备电磁兼容性能，并对电源设计存在的弊端进行了分析，同时阐述了电磁仿真技术的功能和作用。

电源设计；电磁仿真；规范法；系统法

随着科学技术的不断发展和进步，电子设备及相关产品日新月异，已经成为人们工作和生活不可或缺的一部分。越来越多的电子设备被近距离地安装于同一空间内，从而直接导致了设备间的相互电磁干扰。同时，电子设备的体积越来越小，在狭小的空间设计了大量的大规模集成电路，这样将使功能电路间产生更加严重的电磁干扰。为了确保整个系统准确、可靠地工作和操作人员的健康，有必要对电源的电磁兼容性进行定量分析和计算[1]。因此，电路设计中的电磁设计越来越受到现代电子工程设计人员的关注和重视，尤其是作为设备的“心脏”---电源设计。电源的电磁特性是进行电源设计时必须考虑的关键问题。

1 现行电源概况和存在弊端

目前在电力电子设备中常用的电源分为线性稳压电源和开关电源。

线性稳压电源是指在稳压电源电路中的调整管是工作在线性放大区。其工作过程为：将220 V，50 Hz的工频电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、滤波和线性稳压，最后输出一个波纹电压和稳定性能均符合输出要求的直流电压。

图1 线性电源电路基本框图Fig.1 Basic linear power supply circuit diagram

然而电子技术的不断发展和进步，对电源设计的要求也越来越高，线性稳压电源因体积大、效率低、功耗大、温升高等缺点，已不能满足现代电子设备的发展需求[2]。因此，开关稳压电源就应运而生，开关稳压电源具有体积小、重量轻、功耗小、效率高等特点，弥补了线性稳压电源的不足之处。开关稳压电源一般分为DC/DC和AC/DC。

图2 AC/DC开关电源电路基本框图Fig.2 AC/DC switching power supply circuit diagram of the basic

输入电为交流电压的开关稳压电源，从交流电网获得的交流电在经过整流、滤波电路后形成直流电，通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管将直流电加到开关高频变压器初级上，此时开关变压器次级感应出高频电压，再通过整流滤波输出直流电压。输出部分通过取样、比较、放大和驱动等电路对控制回路进行反馈，调制功率开关管的占空比，得到稳定的直流输出电压。

而输入电为直流电压的开关稳压电源，经变换器变换为单极性脉冲电压，再经输出滤波电路，即可得到所需的直流电压。

虽然开关稳压电源具有体积小、功耗小、效率高以及电路形式灵活多样等优点，但是其基本工作原理决定了开关稳压电源存在着比较严重的电磁干扰问题。电源的电磁干扰原因主要有：

1）电源内部开关控制及功率转换电路间存在寄生电容及电感，容易产生电磁耦合现象，形成传导电磁干扰，从而影响设备及系统的正常工作；

2）放电电路产生的大电流会导致准静态强磁场，从而影响反馈数据采集系统，引起电源自动调节电路异常；

3）回路地反弹噪声太大、去耦电容的设计缺陷、回路布线面积过大、多电源系统地平面分割不合理、多层板地层设计不合理、负载电流不均匀等情况都会导致电源完整性被破坏，可能引发信号系统出现乱码、漏码、调制失败等异常现象；

4）功率开关管的高频开断模式会产生高频电磁噪声，影响电源输出品质，污染电路回路[3]。

2 电磁仿真技术的功能和作用

1）可以使用成熟的智能化设计规范来分析和引导电路设计，并可提供对平面电路进行电磁场分析和优化的功能；

2）允许工程师根据实际情况自定义关键器件工作频率范围、材料特性、辅助电路参数等，可在时域或者频域内实现对数字或模拟、线性或非线性电路的综合仿真和分析；

3）可以提供面向3D平面高频电路设计系统以及电磁兼容/电磁干扰设计的电磁仿真，并利用多种数学方式解决电磁波的不连续性效应、耦合效应、辐射效应等问题；

4） 可以根据实际情况提供包括 s、y、z参数，VWSR，RLC等效电路，电流模拟分布，近场分布和辐射方向图，场强方向性，效率和RCS等仿真分析[4]；

5）可以进行任意三维无源结构的高频电磁场仿真，可以直接得到特征阻抗、传播常数、辐射场、天线方向图等结果。

3 电磁仿真在现行电源设计中的应用

开关电源中的主要电路由整流滤波回路、激励控制电路、输出监控和反馈电路四个部分组成。其中整流滤波回路部分是高压组件，其余都是低压组件。由于开关电源体积小，内部电路复杂，需要找出传导干扰的主要途径，对其中的磁性元器件、电路中的互感和分布电容进行重点分析。

1）针对电源设计中的关键器件进行电磁仿真，如变压器、激励电感、滤波电容等，灵活调整关键参数，在短时间内进行多种方案筛选，提高设计效率，降低实验验证成本；

2）通过对电路原理图进行理想参数分析，引入实效性模型仿真，提取电路中的各种寄生参数及等效阻抗，能够加强对去耦电容及滤波电感进行定量设计，减少经验性设计[5]；

3）对电源PCB设计进行电磁仿真分析，建立物理模型，对电源工作时产生的地电位不平衡进行仿真分析，有效地为PCB设计提供一个直观的参照物，从而减少电源电磁特性设计的盲目性；

4）利用PCB整板电磁场扫描设备，获得近场分布图的测量结果，将其与电源电磁仿真结果进行对比分析，不断修正仿真结果与电源设计参数，提高电源电磁仿真的实际吻合度，同时与电磁兼容试验室测试曲线进行对比验证，找寻其频域或时域规律；

5）根据对不同布局布线设计的印刷电路板电磁仿真结果的分析，合理选择布局设计方案，优化电流回路途径，减小线间空间耦合，修正完善电源PCB设计，对印制板中的电磁串扰进行有效抑制。

6）分析仿真结果，绘制等效电路图，剖析电路机理，有效减小或消除电源电路中的串扰电压、脉动电流等有害参数，降低电源电磁辐射。

4 电磁仿真在电源设计中的应用前景

电子产品集成度日益提高，电源也面临更高的功率密度、更低的待机功耗、更多的功能需求。同时，数字化电源技术也日趋成熟，电源不再是一个纯模拟电路集成体，而是一个复杂的数字电路和模拟电路综合体，因此必须以规范、系统的方法对其进行设计。电磁仿真能在电源设计初期对复杂电源设计中的电磁问题进行详细理论分析及电路分析，模拟电源产生电磁干扰的原因，提出抑制电源电磁干扰的措施建议，包括减少干扰源的干扰幅度、破坏及减弱干扰噪声传播路径、合理安排敏感电路和元器件、采取区域屏蔽等，为电源工程师前期设计提供参考。

目前国内对电源设计的电磁仿真技术进行了一定程度的的研究，但是在实际实施阶段仍然存在着一些不足。比如在预测PCB上由印制导线上电流产生的近场与辐射干扰时，我们所加的激励源是理想的信号源，而实际上的情况要复杂得多。又例如开关管从Ton转换到Toff时形成的关断电压尖峰、二极管的反向恢复电流、电感的储能效应等，而这些器件及电路的非理想特性导致了电磁干扰的形成。因此，电磁仿真技术在电源设计中的应用要坚持规范法和系统法。

规范法是要求每个功能电路设计或电源分系统设计必须遵循预先规定的设计原则，按照己经颁布的电磁兼容标准和规范进行板级供电电路、设备电源、系统供电的设计、生产、调试。其中的设计原则和标准是从实践试验中提炼出来的，具有一定技术普遍性，能够在一定程度上提高电源设计质量，预防电磁噪声问题的出现。而且实现这些原则和标准的技术手段也相对通用，所以规范法是电子设备电源设计时采用较多的方法。

系统法是利用电磁预测数学模型和试验数据库，从开始就预测和分析设备电源和供电系统的电磁特性，并在设备电源或系统供电的方案论证、研制设计、生产制造、试验定型等阶段不断进行电磁特性分析和预测，修正电源设计措施，以达到最优设计。准确地预测开关电源变换器产生的电磁干扰对于解决系统级的电磁兼容性问题有较强的实际意义。

在某型通信设备正样的研制过程中采用了规范法和系统法进行电源及供电回路设计，在初样设备研制及试验的基础上建立了电磁仿真数学模型，通过模型仿真对工程设计进行指导及技术修正，在器件选型阶段就充分考虑其电磁特性，并对整机设备生产制造过程进行技术约束，最后整机设备在电磁兼容性能方面与初样比较，EMC试验效果有显著提升，下面为辐射发射对比图例：

图3 电磁兼容性能测试曲线对比Fig.3 Comparison test of electromagnetic compatibility of the curve

从试验结果可以看出规范法和系统法在工程设计应用中的实际效果。而系统法的工作是在规范法的基础上逐步建立准确的数学模型，因此必须通过测试积累一定数量级的数据才能实现，所以大数量级的电源设计数据库的建立和数据分析是系统法必须要注意的地方，也是系统法可靠实施的关键。

5 结束语

电磁仿真技术在电源设计中的应用，能够有效的抑制电磁干扰，推进设备电源真正实现小型化、智能化、数字化的目标，进一步完善供电系统的基础设计技术，深入发展电源设计技术机理，强化电源设计技术的基础作用，提高电路回路中的电源信号完整性。因此加强电磁仿真技术在电源设计中的开发和应用，是电源设计拓宽自身技术领域的方向之一。

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Electromagnetic simulation technology in the application of the power supply design

QING Wen-qiang， ZHANG Li-xing， CHEN Ming-bo， LU Chao
（Institute of China Electronics Technology Group Co.LTD.30， Chengdu 610041， China）

In order to enhance the capacity of the power source design of electronic equipment，expand the power design means and methods，improve the performance of electronic equipment electromagnetic compatibility of electronic equipment in power supply design and system power supply design in the process of using electromagnetic simulation technology，virtual design verification platform，in accordance with the standards of GJB151A-1997 requirements，through the military specifications EMC lab test validation，proved that introduce the electromagnetic simulation technology in power supply design，using the specification method and the method of system，can effectively reduce the electromagnetic compatibility of the electronic equipment in the late test cost and enhance the capacity of the machine power supply design，improve the electromagnetic compatibility of electronic equipment，and analyzes the insufficiency of power supply design，at the same time，this paper expounds the function and role of electromagnetic simulation technology.

Power supply design； electromagnetic simulation； specification method； system method

TN99

A

1674-6236（2014）15-0143-03

2013-11-07 稿件编号：201311066

卿文强（1979—），男，四川成都人，工程师。研究方向：电源技术及电磁兼容技术。