开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析_陈常杰（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析陈常杰路宏敏李晓辉(西安电子科技大学电子工程学院,陕西西安710071摘要文中采用电磁场数值模拟的方法对开关电源差模电流的辐射干扰进行了模拟,并对模拟的结果进行分析,得出了差模电流辐射的基本特性和闭合印制线回路的变化对它的影响。关键词差模电流,辐射干扰,数值模拟。中图分类号TN031引言开关电源的电磁干扰问题主要包括传导发射(conductedemission干扰和辐射发射(radiatedemission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、高频和大功率电路设计,闭合印制线回路引起的辐射干扰(差模干扰已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是利用半导体器件的截止和导通状态来工作的,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,会在电感、电容上(或分布电感电容产生严重的浪涌电压、浪涌电流和其他各种噪声。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合回路向空间辐射电磁能量,即差模电流的辐射干扰。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源内阻以及与源内阻相等的负载,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。图1开关电源的简图与产生噪声的回路图2正方形闭合印制线回路模型(回路尺寸:5cm×5cm,印制线宽度:0.2cm,基板尺寸:13cm×13cm,基板厚度:0.1cm3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。这里我们使用Ansoft的HFSS(HighFrequencyStructureSimulator进行模拟。首先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r的远场的电场强度为电子科技2004年第2期(总第173期负载阻抗(100Ω电压源(1V,内阻100Ω开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析(a(b(c图3闭合回路尺寸为5cm×5cm,频率为500MHz时的远场(3m辐射方向图(V/mθsin/1((106.13126rSIfE−×=m/(V(1其中f(Hz为回路中电流信号的频率,S(2m为回路面积,I(A为电流强度,θ(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,从中可以很明显看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252cm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时分别进行研究。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。图4远场场强随闭合印制线回路面积变化的曲线图5闭合回路面积恒定,远区辐射场