考慮近場(chǎng)磁耦合干擾的傳導(dǎo)EMI仿真分析

胡欽俊，陳慶彬，陳為

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116)

1 引言

開(kāi)關(guān)電源與線性穩(wěn)壓電源相比，具有體積小、重量輕、效率高、功耗少，穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于電力電子系統(tǒng)等領(lǐng)域［1－4］。但是，因其集成度高，功率密度大，高頻化等，必將引起嚴(yán)重的電磁干擾，造成傳導(dǎo)EMI的測(cè)試超標(biāo)［5－8］。傳統(tǒng) EMI仿真多是考慮器件的自身的模型建立的準(zhǔn)確性，而沒(méi)有考慮器件間的電磁耦合對(duì)其傳導(dǎo)EMI的影響。本文以一個(gè)DC－DC開(kāi)關(guān)電源為研究對(duì)象，利用電容、電感、變壓器、MOSFET、功率二極管的高頻模型組建了傳統(tǒng)仿真電路，使用HFSS軟件來(lái)仿真各個(gè)磁性元件間的磁場(chǎng)耦合關(guān)系，并利用Saber軟件來(lái)仿真考慮了磁場(chǎng)耦合后的系統(tǒng)傳導(dǎo)EMI仿真電路，為開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)提供了參考。

2 開(kāi)關(guān)電源噪聲回路分析

該開(kāi)關(guān)電源主電路為DC－DC電路，輸入為48V，輸出為28V、9A。前級(jí)為BUCK降壓電路，后級(jí)為方波逆變整流電路，主電路如圖1所示。對(duì)于開(kāi)關(guān)電源，根據(jù)傳導(dǎo)耦合方式的不同，可以將電磁干擾分為差模和共模兩種，一般認(rèn)為差模噪聲是由于快速的電流變化率(di/dt)作用在電路的L線和N線之間等大方向的噪聲;共模噪聲是由于快速的電壓變化率(du/dt)作用在對(duì)地寄生電容上形成的噪聲。圖2為電路的差模噪聲流通路徑，可以看到差模噪聲主要是由電感上的電流紋波在L線和N線上流動(dòng)造成，共模噪聲則主要由開(kāi)關(guān)管附近的電位跳變點(diǎn)經(jīng)過(guò)對(duì)地分布電容傳輸?shù)降鼐€上，在地線上產(chǎn)生共模噪聲電流并流進(jìn)LISN，如圖3。

圖1 主電路圖

圖2 差模噪聲回路

圖3 共模噪聲回路

3 變壓器與濾波器共模電感間的磁耦合分析

雖然近場(chǎng)干擾與傳導(dǎo)干擾的耦合機(jī)理不同，但實(shí)際上近場(chǎng)干擾也會(huì)影響電路的傳導(dǎo)EMI。在一個(gè)開(kāi)關(guān)電源中，變壓器與電容器、PCB環(huán)路之間存在磁場(chǎng)耦合:開(kāi)關(guān)管與PCB導(dǎo)線存在電場(chǎng)耦合，主電路與EMI濾波器之間存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)耦合;濾波器元件之間存在近場(chǎng)耦合;電路各元器件與外接電纜同樣存在近場(chǎng)耦合。近場(chǎng)耦合可在元器件、PCB環(huán)路或外接電纜上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此感應(yīng)電壓產(chǎn)生的噪聲電流i。一方面通過(guò)傳導(dǎo)的方式通過(guò)導(dǎo)線直接耦合到受擾設(shè)備，另一方面通過(guò)電纜向外輻射電磁波。由于這款通信電源的主變壓器與EMI濾波器的共模電感間存在較為強(qiáng)烈的近場(chǎng)磁場(chǎng)耦合，下面就以變壓器與EMI濾波器之間的近場(chǎng)耦合為例說(shuō)明這種情況。

對(duì)于器件間近場(chǎng)耦合參數(shù)的提取有仿真和實(shí)測(cè)兩種方法，下面通過(guò)提取變壓器與共模電感CM1間的近場(chǎng)耦合參數(shù)。

仿真法是通過(guò)有限元仿真軟件HFSS通過(guò)建立變壓器與共模電感的模型、再通過(guò)仿真得到器件間的耦合參數(shù)。圖4是HFSS中建立的變壓器與共模電感的模型，其中變壓器原邊的匝數(shù)是3匝，副邊是5匝，兩個(gè)共模電感的匝數(shù)均為7匝。用HFSS軟件仿真得到的結(jié)果是S、Y、Z參數(shù)，這里可以根據(jù)仿真得到的Z參數(shù)來(lái)計(jì)算得到兩器件間的互感，這是因?yàn)槿鐖D5所示，對(duì)于兩個(gè)存在近場(chǎng)耦合的器件，可以把它們看作是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)滿足公式(1)、(2)，其中Z21=Z12=U1/I2=jwM，因此 M=Z12/w，其中 w=2πf。將仿真得到的變壓器原邊、副邊與共模電感CM1之間的Z參數(shù)帶入公式(3)中得到變壓器與共模電感CM1間的耦合互感為0.154nH。

圖4 變壓器與共模電感間近場(chǎng)耦合參數(shù)仿真圖

圖5 HFSS仿真軟件中測(cè)量互感M的模型圖

圖6 Z參數(shù)模型圖

實(shí)測(cè)法則是利用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量?jī)善骷g的近場(chǎng)耦合情況。將其中的一個(gè)器件作為干擾體接網(wǎng)絡(luò)分析儀的TG(Tracking Generator)輸出口，而將另一器件作為被干擾體接RF輸入口。通過(guò)TG輸出口的掃頻，得到不同頻率下被干擾體的響應(yīng)情況，從得到干擾體與被干擾體的近場(chǎng)耦合情況。

圖7為一個(gè)變壓器與共模電感差模分量之間互參數(shù)提取的測(cè)試板，因?yàn)闇y(cè)量的是變壓器與共模電感的差模分量間的互感，因此將共模電感的一端如圖8所示短路進(jìn)行短路，并且在變壓器的副邊接一個(gè)51Ω的電阻來(lái)減小線路阻抗帶來(lái)的測(cè)量誤差。隨后將變壓器的原邊接EMI接收機(jī)的TG口，將共模電感的另一個(gè)線圈接RF口，如圖8所示，這樣就可以通過(guò)測(cè)量其插入損耗來(lái)得到變壓器與共模電感一個(gè)線圈之間的互感大小。

圖7 插入損耗法實(shí)驗(yàn)圖

圖8 測(cè)試原理圖

圖9 實(shí)測(cè)插入損耗

通過(guò)Mathcad軟件可以得到在圖8所示的電路圖中，互感M與插入損耗IL之間的關(guān)系:

圖10 Mathcad擬合得到的插入損耗

其中ILtest為在特定頻率下的插入損耗值，帶入實(shí)測(cè)的特定頻率下的插入損耗的值可以得到互感M為0.148nH。將計(jì)算得到的互感的大小帶入公式(5)中可以得到一條插入損耗IL隨頻率變化的曲線，如圖10所示，可以看到mathcad計(jì)算出來(lái)的插入損耗與實(shí)測(cè)的插入損耗基本重合。

通過(guò)HFSS仿真得到變壓器與共模電感CM1的互感分別為0.154nH，實(shí)際測(cè)量得到的互感為0.148nH，誤差為3.89%;通過(guò)上述方法得到變壓器與共模電感CM2仿真得到的互感為0.355nH，實(shí)際測(cè)量得到的互感為0.347nH，誤差為2.3%。

4 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)級(jí)傳導(dǎo)EMI仿真分析

對(duì)于傳導(dǎo)EMI的仿真，首先要建立各個(gè)器件的高頻模型。如電感、電容、共模電感、變壓器、開(kāi)關(guān)管等高頻模型，這在很多文獻(xiàn)中都有介紹，這里就不在贅述。圖11是用Saber建立的該開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI仿真圖，首先將不考慮變壓器與EMI EMI濾波器間近場(chǎng)耦合參數(shù)的Saber仿真電路進(jìn)行仿真，通過(guò)將仿真得到的LISN上50Ω阻抗上的電壓進(jìn)行FFT分解，得到其傳導(dǎo)EMI仿真總噪聲圖，如圖12。

再將變壓器與EMI濾波器間近場(chǎng)耦合參數(shù)放入Saber仿真電路中進(jìn)行仿真并用FFT分解LISN上50歐姆阻抗上的電壓，得到其考慮變壓器與EMI濾波器間近場(chǎng)耦合參數(shù)后傳導(dǎo)EMI仿真總噪聲圖，如圖13。通過(guò)圖12、13的對(duì)比可以看到，兩者在150kHz～10MHz內(nèi)都相差甚遠(yuǎn)。

圖14為實(shí)際測(cè)量得到的EMI總噪聲圖。通過(guò)圖12～14的對(duì)比可以看到，考慮近場(chǎng)耦合參數(shù)后的EMI噪聲仿真圖更接近于實(shí)測(cè)值，且兩者在150kHz～10MHz范圍內(nèi)的誤差在4dB范圍內(nèi)。

圖11 Saber仿真電路圖

圖12 不考慮近場(chǎng)耦合參數(shù)的總噪聲仿真圖

圖13 考慮近場(chǎng)耦合參數(shù)的總噪聲仿真圖

5 結(jié)論

本文對(duì)開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI進(jìn)行了建模和預(yù)測(cè)分析，并以變壓器與共模電感間的近場(chǎng)耦合為例子，來(lái)介紹如何通過(guò)仿真和實(shí)際測(cè)量的方法得到器件間近場(chǎng)耦合參數(shù)并驗(yàn)證了仿真方法的準(zhǔn)確性。器件的擺放，PCB走線等都會(huì)對(duì)器件間的近場(chǎng)耦合產(chǎn)生影響，而近場(chǎng)耦合對(duì)傳導(dǎo)EMI有著不可忽視的影響，因此在對(duì)開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，不能只考慮器件高頻模型的準(zhǔn)確建立，還要考慮器件間的近場(chǎng)耦合參數(shù)。

圖14 開(kāi)關(guān)電源總噪聲實(shí)測(cè)圖

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