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
【摘 要】摘要：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。 【期刊名称】电源技术 【年(卷),期】2014(038)005 【总页数】4
【关键词】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。
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。
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
开关电源电磁辐射干扰的建模与仿真
