開關電源差模電流輻射干擾的模擬與分析

2017-02-14 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

1、引言:

開關電源的電磁干擾問題主要立括傳導發(fā)射(conducted emission)干擾和輻射發(fā)時(radiated emission)干擾,電磁兼容中所謂的發(fā)射,是指"從源向外發(fā)出電磁能的現象",與一般通信領域中人為的向外發(fā)射電磁波不同,開關電源中的發(fā)射常常是無意的,如果不加以控制,就會對周圍的電子設備產生嚴重的干擾。隨著開關電源的小型化、高頻和高功率設計,閉合印制線回路引起的輻射干擾(差模干擾)己成為開關電源的主要輻射干擾源之一,研究閉合印制線回路的輻射規(guī)律對減小開關電源的輻射干擾有著重要的意義。

2、建立差模電流的輻射模型:

開關電源利用半導體器件的開和關工作,并以開和關的時間比來控制輸出電壓的高低,由于其通常工作在20KHz以上的開關頻率工作,開關電源內的dv/dt、di/dt很大,產生嚴重的浪涌電壓、浪涌電流和其它各種噪聲。圖1是典型的開關電源的簡圖和產生噪聲的回路,含有大量高次諧波的噪聲通過閉臺回路向空間輻射電磁能量,即差模電流的輻對干擾。通常的閉合環(huán)形回路的形狀都是不規(guī)則的,這里我們只討論一般的模型,如圖2所示。

這是一種帶有接地平面的正方形的閉合印制線環(huán)路,在回路的兩端分別接有電壓源和阻抗相等的源內阻、負載,當電壓信號的頻率較高時,這種結構與方環(huán)形天線是非常相似的,成為一種嚴重的輻射源。

3、數值模擬:

對于建立好的模型.可以通過電磁場的數值模擬軟件來對其輻射特性進行分析。在這里我們使用Ansoft的HFSS(High Frequency Structure Simulator)來進行模擬。首先來研究這種閉合印制線回路的面積發(fā)生變化時其輻射特性如何發(fā)生變化。當差模輻射用小環(huán)天線產生的輻射來模擬時,在距離輻射回路為的遠場的電場強度為E=131.6 ×106(fSI)(1/r)Sinθ(1)其中f(H2)為回路中電流信號的頻率,S(m2)為回路面積,1(A)為電流強度,θ(0)為測量天線與輻射平面的夾角。我們根據圖1所示的結構,取正方形閉合回路的邊長分別為3cm、4cm、5cm、6cm和7cm進行模擬,信號頻率為500MHz。圖3(a)和圖4分別為模擬得到的差模電流輻射的遠場三維方向圖(由于閉合回路的邊長變化時其遠場方向圖是非常相似的,此處只給出邊長為5cm時的方向圖)和S-E曲線,從中可以很明顯出由于印制線路板接地平面的存在使得差模輻射功率主要集中在接地平面上方,同時,遠區(qū)輻射場的電場強度與回路面積呈線性變化關系(本文中的電場強度均指在閉合印制線回路最大輻射方向上的電場強度),這與式(1)是完全符合的。

4、結果分析:

閉合印制線回路的面積越大,差模電流所產生的輻射干擾就越嚴重。但是同樣面積的閉合印制線回路,如果回路形狀發(fā)生變化,不再是正方形結構,其產生的輻射干擾效果一樣會隨著變化,甚至產生相當大的差異。圖5顯示了當閉合印制線回路的面積保持25m2不變時,矩形印制線回路源與終端所在的邊分別為2cm、3cm、4cm和5cm時差模電流所產生的輻射干擾效果,且在頻率為500MHz、1GHz和1.5GHz時分別進行考慮。顯然,頻率增高,相同結構的閉合印制線回路產生的輻射干擾跟著增強,并且隨著頻率增高差模電流的輻射能量逐漸向印制線路板的正面"轉移",如圖3所示,這是因為頻率的增高使得接地平面相對于差模電流信號的電尺寸變大,從而對閉合印制線回路的輻射場產生更大的反射效果。更為重要的是,隨著閉合印制線回路由正方形逐漸變化為越來越狹長的矩形,差模電流所產生的輻射干擾顯著減小。也就是說,即使閉合印制線回路的面積相同。適當地改變其形狀,使之越來越狹長,同樣可以減小相同強度的差模電流的輻射干擾。

閉合印制線回路上流過的差模電流產生的輻射干擾在各個極化方向上的分布是不同的。圖6是矩形印制線回路的源和終端所在的邊為3(回路面積為25)時頻率為1.5GHz差模電流的輻射干擾在X、Y、Z方向上的極化分量的三維方向圖,從圖中可以看到,X和Z方向上的極化分量主要集中于印制板正面的X軸的兩側,而Y方向上的極化分量主要集中于印制板的正上方區(qū)域,并且沿Y方向的極化分量最大,分別為X、Y方向極化分量的兩倍左右,對于源和終端所在邊為2cm、4cm和5cm時的閉合回路也是如此。

根據印制線路板上差模電流的輻射特性,開關電源設計人員在進行印制線路板和機箱內部結構設計的時候可以從以下幾個方面來考慮:

1.通過改變閉合印制線回路的形狀,使之盡量狹長。可以有效的減小差模電流的輻射干擾水平。

2.根據差模電流在各個極化方向上的輻射水平的不同,盡量使臨近印制板上的印制線或元器件在較大輻射水平的極化方向上有最小的電長度,這樣可以保證它們耦合到較少的電磁能量。

3.在對機箱內部的電纜進行布線設計時,確保電纜在較大輻射水平的極化方向上的電長度最小,從而使電纜耦合到的電磁能量最小。

4.確定得到最小的機箱對外輻射效果的通風窗或者是觀察窗的位置和結構。通風窗或觀察窗應盡可能的安裝在輻射水平較低的位置,如果通風窗或觀察窗是由矩形孔構成的,還應該考慮輻射場在窗口位置的各個方向的極化水平,盡量使矩形孔的長邊不在輻射水平最大的極化方向上,以便使從機箱輻射出去的電磁能量最小。

對以上幾點進行考慮的時候還要綜合其它結構的干擾源的輻射效果,比如繼電器、散熱器和電纜產生的輻射干擾,而這些都是可以通過數值或者是解析的方法得到的。

5、結論:

從對開關電源差模電流的輻射干擾進行電磁場數值模擬的結果可以看出,差模電流的輻射干擾隨著閉合回路的面積增加而增強,并呈線性變化,頻率的增高也使差模電流的輻射能量更集中于接地平面的上方。更為重要的是,相同面積的閉合回路,回路的形狀越來越狹長,差模電流引起的輻射干擾就越來越小。同時,差模電流的輻射干擾在各個極化方向上有不同的分布。這些差模電流的輻射特性可以作為進行開關電源印制線路板設計和機箱內部的電磁兼容性設計的依據。

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