考虑近场磁耦合干扰的传导EMI仿真分析

胡钦俊，陈庆彬，陈为

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350116)

1 引言

开关电源与线性稳压电源相比，具有体积小、重量轻、效率高、功耗少，稳压范围宽等优点，已广泛用于电力电子系统等领域［1－4］。但是，因其集成度高，功率密度大，高频化等，必将引起严重的电磁干扰，造成传导EMI的测试超标［5－8］。传统 EMI仿真多是考虑器件的自身的模型建立的准确性，而没有考虑器件间的电磁耦合对其传导EMI的影响。本文以一个DC－DC开关电源为研究对象，利用电容、电感、变压器、MOSFET、功率二极管的高频模型组建了传统仿真电路，使用HFSS软件来仿真各个磁性元件间的磁场耦合关系，并利用Saber软件来仿真考虑了磁场耦合后的系统传导EMI仿真电路，为开关电源的电磁兼容设计提供了参考。

2 开关电源噪声回路分析

该开关电源主电路为DC－DC电路，输入为48V，输出为28V、9A。前级为BUCK降压电路，后级为方波逆变整流电路，主电路如图1所示。对于开关电源，根据传导耦合方式的不同，可以将电磁干扰分为差模和共模两种，一般认为差模噪声是由于快速的电流变化率(di/dt)作用在电路的L线和N线之间等大方向的噪声;共模噪声是由于快速的电压变化率(du/dt)作用在对地寄生电容上形成的噪声。图2为电路的差模噪声流通路径，可以看到差模噪声主要是由电感上的电流纹波在L线和N线上流动造成，共模噪声则主要由开关管附近的电位跳变点经过对地分布电容传输到地线上，在地线上产生共模噪声电流并流进LISN，如图3。

图1 主电路图

图2 差模噪声回路

图3 共模噪声回路

3 变压器与滤波器共模电感间的磁耦合分析

虽然近场干扰与传导干扰的耦合机理不同，但实际上近场干扰也会影响电路的传导EMI。在一个开关电源中，变压器与电容器、PCB环路之间存在磁场耦合:开关管与PCB导线存在电场耦合，主电路与EMI滤波器之间存在电场和磁场耦合;滤波器元件之间存在近场耦合;电路各元器件与外接电缆同样存在近场耦合。近场耦合可在元器件、PCB环路或外接电缆上产生感应电压，此感应电压产生的噪声电流i。一方面通过传导的方式通过导线直接耦合到受扰设备，另一方面通过电缆向外辐射电磁波。由于这款通信电源的主变压器与EMI滤波器的共模电感间存在较为强烈的近场磁场耦合，下面就以变压器与EMI滤波器之间的近场耦合为例说明这种情况。

对于器件间近场耦合参数的提取有仿真和实测两种方法，下面通过提取变压器与共模电感CM1间的近场耦合参数。

仿真法是通过有限元仿真软件HFSS通过建立变压器与共模电感的模型、再通过仿真得到器件间的耦合参数。图4是HFSS中建立的变压器与共模电感的模型，其中变压器原边的匝数是3匝，副边是5匝，两个共模电感的匝数均为7匝。用HFSS软件仿真得到的结果是S、Y、Z参数，这里可以根据仿真得到的Z参数来计算得到两器件间的互感，这是因为如图5所示，对于两个存在近场耦合的器件，可以把它们看作是一个二端口网络，这个二端口网络满足公式(1)、(2)，其中Z21=Z12=U1/I2=jwM，因此 M=Z12/w，其中 w=2πf。将仿真得到的变压器原边、副边与共模电感CM1之间的Z参数带入公式(3)中得到变压器与共模电感CM1间的耦合互感为0.154nH。

图4 变压器与共模电感间近场耦合参数仿真图

图5 HFSS仿真软件中测量互感M的模型图

图6 Z参数模型图

实测法则是利用网络分析仪来测量两器件间的近场耦合情况。将其中的一个器件作为干扰体接网络分析仪的TG(Tracking Generator)输出口，而将另一器件作为被干扰体接RF输入口。通过TG输出口的扫频，得到不同频率下被干扰体的响应情况，从得到干扰体与被干扰体的近场耦合情况。

图7为一个变压器与共模电感差模分量之间互参数提取的测试板，因为测量的是变压器与共模电感的差模分量间的互感，因此将共模电感的一端如图8所示短路进行短路，并且在变压器的副边接一个51Ω的电阻来减小线路阻抗带来的测量误差。随后将变压器的原边接EMI接收机的TG口，将共模电感的另一个线圈接RF口，如图8所示，这样就可以通过测量其插入损耗来得到变压器与共模电感一个线圈之间的互感大小。

图7 插入损耗法实验图

图8 测试原理图

图9 实测插入损耗

通过Mathcad软件可以得到在图8所示的电路图中，互感M与插入损耗IL之间的关系:

图10 Mathcad拟合得到的插入损耗

其中ILtest为在特定频率下的插入损耗值，带入实测的特定频率下的插入损耗的值可以得到互感M为0.148nH。将计算得到的互感的大小带入公式(5)中可以得到一条插入损耗IL随频率变化的曲线，如图10所示，可以看到mathcad计算出来的插入损耗与实测的插入损耗基本重合。

通过HFSS仿真得到变压器与共模电感CM1的互感分别为0.154nH，实际测量得到的互感为0.148nH，误差为3.89%;通过上述方法得到变压器与共模电感CM2仿真得到的互感为0.355nH，实际测量得到的互感为0.347nH，误差为2.3%。

4 开关电源系统级传导EMI仿真分析

对于传导EMI的仿真，首先要建立各个器件的高频模型。如电感、电容、共模电感、变压器、开关管等高频模型，这在很多文献中都有介绍，这里就不在赘述。图11是用Saber建立的该开关电源的传导EMI仿真图，首先将不考虑变压器与EMI EMI滤波器间近场耦合参数的Saber仿真电路进行仿真，通过将仿真得到的LISN上50Ω阻抗上的电压进行FFT分解，得到其传导EMI仿真总噪声图，如图12。

再将变压器与EMI滤波器间近场耦合参数放入Saber仿真电路中进行仿真并用FFT分解LISN上50欧姆阻抗上的电压，得到其考虑变压器与EMI滤波器间近场耦合参数后传导EMI仿真总噪声图，如图13。通过图12、13的对比可以看到，两者在150kHz～10MHz内都相差甚远。

图14为实际测量得到的EMI总噪声图。通过图12～14的对比可以看到，考虑近场耦合参数后的EMI噪声仿真图更接近于实测值，且两者在150kHz～10MHz范围内的误差在4dB范围内。

图11 Saber仿真电路图

图12 不考虑近场耦合参数的总噪声仿真图

图13 考虑近场耦合参数的总噪声仿真图

5 结论

本文对开关电源的传导EMI进行了建模和预测分析，并以变压器与共模电感间的近场耦合为例子，来介绍如何通过仿真和实际测量的方法得到器件间近场耦合参数并验证了仿真方法的准确性。器件的摆放，PCB走线等都会对器件间的近场耦合产生影响，而近场耦合对传导EMI有着不可忽视的影响，因此在对开关电源的传导EMI进行预测时，不能只考虑器件高频模型的准确建立，还要考虑器件间的近场耦合参数。

图14 开关电源总噪声实测图

［1］Peipei Meng，Junming Zhang，Henglin Chen，Zhaoming Qian，Yuwen Shen，“Characterizing Noise Source and Coupling Path in Flyback Converter for Common-mode Noise Prediction，”in IEEE 2011 Applied Power Electronics Conference and Exposition，2011，1704－1709.

［2］李龙涛.开关电源传导 EMI建模和模型有效性评估［D］.哈尔滨工业大学，2012.

［3］王拓.开关电源传导EMI仿真分析［J］.通信电源技术，2008，25(5):15－18.

［4］张煜，陈庆彬，陈为，等.开关电源传导电磁干扰仿真研究［C］//中国电源学会第二十届学术年会论文集.2013:1205－1209.

［5］孟进，马伟明，张磊，等.开关电源变换器传导干扰分析及建模方法［J］.中国电机工程学报，2005，25(5):49－54.

［6］杨光.高频开关电源的EMI建模与仿真研究［D］.北京邮电大学，2008.

［7］孙超.AC/DC变换器传导EMI建模与仿真［D］.哈尔滨工业大学，2013.

［8］马垠飞.开关电源传导 EMI的预测研究［D］.河北工业大学，2012.