开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析

西安电子科技大学电子工程学院 陈常杰 路宏敏 翠晓辉

l、引言：

    开关电源的电磁干扰问题主要立括传导发射(conducted emission)干扰和辐射发时(radiated emission)干扰，电磁兼容中所谓的发射，是指"从源向外发出电磁能的现象"，与一般通信领域中人为的向外发射电磁波不同，开关电源中的发射常常是无意的，如果不加以控制，就会对周围的电子设备产生严重的干扰。随着开关电源的小型化、高频和高功率设计，闭合印制线回路引起的辐射干扰(差模干扰)己成为开关电源的主要辐射干扰源之一，研究闭合印制线回路的辐射规律对减小开关电源的辐射干扰有着重要的意义。

    2、建立差模电流的辐射模型：

    开关电源利用半导体器件的开和关工作，并以开和关的时间比来控制输出电压的高低，由于其通常工作在20KHz以上的开关频率工作，开关电源内的dv／dt、di／dt很大，产生严重的浪涌电压、浪涌电流和其它各种噪声。图1是典型的开关电源的简图和产生噪声的回路，含有大量高次谐波的噪声通过闭台回路向空间辐射电磁能量，即差模电流的辐对干扰。通常的闭合环形回路的形状都是不规则的，这里我们只讨论一般的模型，如图2所示。
            
     这是一种带有接地平面的正方形的闭合印制线环路，在回路的两端分别接有电压源和阻抗相等的源内阻、负载，当电压信号的频率较高时，这种结构与方环形天线是非常相似的，成为一·种严重的辐射源。

    3、数值模拟：

    对于建立好的模型．可以通过电磁场的数值模拟软件来对其辐射特性进行分析。在这里我们使用Ansoft?的HFSS(High Frequency Structure Simulator)来进行模拟。首先来研究这种闭合印制线回路的面积发生变化时其辐射特性如何发生变化。当差模辐射用小环天线产生的辐射来模拟时，在距离辐射回路为的远场的电场强度为E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）为回路中电流信号的频率，S(m2)为回路面积，1(A)为电流强度，θ（0）为测量天线与辐射平面的夹角。我们根据图1所示的结构，取正方形闭合回路的边长分别为3cm、4cm、5cm、6cm和7cm进行模拟，信号频率为500MHz。图3(a)和图4分别为模拟得到的差模电流辐射的远场三维方向图(由于闭合回路的边长变化时其远场方向图是非常相似的，此处只给出边长为5cm时的方向图）和S-E曲线，从中可以很明显出由于印制线路板接地平面的存在使得差模辐射功率主要集中在接地平面上方，同时，远区辐射场的电场强度与回路面积呈线性变化关系(本文中的电场强度均指在闭合印制线回路最大辐射方向上的电场强度)，这与式(1)是完全符合的。
                  
4、结果分析：

    闭合印制线回路的面积越大，差模电流所产生的辐射干扰就越严重。但是同样面积的闭合印制线回路，如果回路形状发生变化，不再是正方形结构，其产生的辐射干扰效果一样会随着变化，甚至产生相当大的差异。图5显示了当闭合印制线回路的面积保持25cm2不变时，矩形印制线回路源与终端所在的边分别为2cm、3cm、4cm和5cm时差模电流所产生的辐射干扰效果，且在频率为500MHz、1GHz和1．5GHz时分别进行考虑。显然，频率增高，相同结构的闭合印制线回路产生的辐射干扰跟着增强，并且随着频率增高差模电流的辐射能量逐渐向印制线路板的正面"转移"，如图3所示，这是因为频率的增高使得接地平面相对于差模电流信号的电尺寸变大，从而对闭合印制线回路的辐射场产生更大的反射效果。更为重要的是，随着闭合印制线回路由正方形逐渐变化为越来越狭长的矩形，差模电流所产生的辐射干扰显著减小。也就是说，即使闭合印制线回路的面积相同。适当地改变其形状，使之越来越狭长，同样可以减小相同强度的差模电流的辐射干扰。

    闭合印制线回路上流过的差模电流产生的辐射干扰在各个极化方向上的分布是不同的。图6是矩形印制线回路的源和终端所在的边为3(回路面积为25)时频率为1．5GHz差模电流的辐射干扰在X、Y、Z方向上的极化分量的三维方向图，从图中可以看到，X和Z方向上的极化分量主要集中于印制板正面的X轴的两侧，而Y方向上的极化分量主要集中于印制板的正上方区域，并且沿Y方向的极化分量最大，分别为X、Y方向极化分量的两倍左右，对于源和终端所在边为2cm、4cm和5cm时的闭合回路也是如此。
                  
    根据印制线路板上差模电流的辐射特性，开关电源设计人员在进行印制线路板和机箱内部结构设计的时候可以从以下几个方面来考虑：

    1．通过改变闭合印制线回路的形状，使之尽量狭长。可以有效的减小差模电流的辐射干扰水平。

    2．根据差模电流在各个极化方向上的辐射水平的不同，尽量使临近印制板上的印制线或元器件在较大辐射水平的极化方向上有最小的电长度，这样可以保证它们耦合到较少的电磁能量。

    3．在对机箱内部的电缆进行布线设计时，确保电缆在较大辐射水平的极化方向上的电长度最小，从而使电缆耦合到的电磁能量最小。

    4．确定得到最小的机箱对外辐射效果的通风窗或者是观察窗的位置和结构。通风窗或观察窗应尽可能的安装在辐射水平较低的位置，如果通风窗或观察窗是由矩形孔构成的，还应该考虑辐射场在窗口位置的各个方向的极化水平，尽量使矩形孔的长边不在辐射水平最大的极化方向上，以便使从机箱辐射出去的电磁能量最小。

    对以上几点进行考虑的时候还要综合其它结构的干扰源的辐射效果，比如继电器、散热器和电缆产生的辐射干扰，而这些都是可以通过数值或者是解析的方法得到的。

    5、结论：

    从对开关电源差模电流的辐射干扰进行电磁场数值模拟的结果可以看出，差模电流的辐射干扰随着闭合回路的面积增加而增强，并呈线性变化，频率的增高也使差模电流的辐射能量更集中于接地平面的上方。更为重要的是，相同面积的闭合回路，回路的形状越来越狭长，差模电流引起的辐射干扰就越来越小。同时，差模电流的辐射干扰在各个极化方向上有不同的分布。这些差模电流的辐射特性可以作为进行开关电源印制线路板设计和机箱内部的电磁兼容性设计的依据。

   （转自  中电网）