開(kāi)關(guān)電源PCB 電磁兼容性的建模分析

開(kāi)關(guān)電源的共模干擾和差模干擾對(duì)電路的影響是不同的，通常低頻時(shí)差模噪聲占主導(dǎo)地位，高頻時(shí)共模噪聲占主導(dǎo)地位，而且共模電流的輻射作用通常比差模電流的輻射作用要大得多，因此，區(qū)分電源中的差模干擾和共模干擾是很有必要的。

　　為了區(qū)分出差模干擾和共模干擾，我們首先需要對(duì)開(kāi)關(guān)電源的基本耦合方式進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上我們才能建立差模噪聲電流和共模噪聲電流的電路路徑。開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)耦合主要有：

　　電路性傳導(dǎo)耦合、電容性耦合、電感性耦合以及這幾種耦合方式的混合。

　　1 共模和差模噪聲路徑模型

　　開(kāi)關(guān)電源中由于高頻變壓器原副邊繞組之間存在的耦合電容CW、功率管與散熱器之間存在的雜散電容CK、功率管自身的寄生參數(shù)以及印制導(dǎo)線之間由于相互耦合而形成的互感、自感、互容、自容、阻抗等寄生參數(shù)而構(gòu)成共模噪聲和差模噪聲通路，從而形成共模和差模傳導(dǎo)干擾。在對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件、變壓器以及印制導(dǎo)線的電阻、電感、電容的寄生參數(shù)模型進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，可獲得變換器的噪聲電流路徑模型。

　　2 電路主要元器件的高頻模型

　　功率開(kāi)關(guān)管的內(nèi)部寄生電感、電容影響到電路的高頻性能，這些電容使得高頻干擾漏電流流向金屬基板，而且功率管與散熱器之間存在著一個(gè)雜散電容CK ，出于安全的原因，散熱器通常是接地的，這就提供了一條共模噪聲通路。

　　在PWM變換器工作時(shí)，伴隨著開(kāi)關(guān)器件的工作，也相應(yīng)產(chǎn)生了共模噪聲。如圖1 所示，對(duì)于半橋變換器，開(kāi)關(guān)管Q1 的漏級(jí)電壓始終為U1，源級(jí)電位隨開(kāi)關(guān)狀態(tài)的改變而在0 和U1/2 之間變化；Q2 的源極電位始終為0，漏極電位在0 和U1/2之間變化。為使開(kāi)關(guān)管和散熱器能保持良好接觸，往往在開(kāi)關(guān)管底部與散熱器之間加上絕緣墊片或者抹上導(dǎo)熱性能良好的絕緣硅膠。這使得A 點(diǎn)對(duì)地之間相當(dāng)于存在一個(gè)并聯(lián)耦合電容CK。當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1、Q2 的狀態(tài)發(fā)生改變，使A 點(diǎn)電位發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)在CK 上產(chǎn)生噪聲電流Ick，如圖2 所示。該電流由散熱器到達(dá)機(jī)殼，而機(jī)殼也即大地與主電源線存在耦合阻抗，形成圖2中虛線所示的共模噪聲通路。于是，共模噪聲電流在地與主電源線的耦合阻抗Z 上產(chǎn)生壓降，形成共模噪聲。

　　圖1 半橋變換器示意圖

　　圖2 開(kāi)關(guān)管對(duì)地電容形成的共模電流回路

　　隔離變壓器是一種廣泛使用的電源線干擾抑制措施。其基本作用是實(shí)現(xiàn)電路之間的電氣隔離，解決由地線環(huán)路帶來(lái)的設(shè)備間相互干擾。對(duì)于理想的變壓器，它只能傳送差模電流而不能傳送共模電流，這是因?yàn)閷?duì)于共模電流，它在理想變壓器的兩個(gè)端子之間的電位相同，因此不能在繞組上產(chǎn)生磁場(chǎng)，也就不能夠有共模電流通路了，從而起到了抑制共模噪聲的作用。

　　而實(shí)際的隔離變壓器原邊和副邊之間有一個(gè)耦合電容CW，這個(gè)耦合電容是由于變壓器的繞組之間存在非電介質(zhì)和物理間隙所產(chǎn)生的，它為共模電流提供了一個(gè)通路。

　　如圖2 所示，A 點(diǎn)是電路中電壓變化最強(qiáng)的區(qū)域，它也是產(chǎn)生噪聲的最強(qiáng)的區(qū)域。伴隨著電路的高頻開(kāi)關(guān)工作，該點(diǎn)的高頻電壓通過(guò)變壓器初次級(jí)之間的分布電容Cps、電源線對(duì)地線的阻抗、變壓器次級(jí)印制線自身的阻抗、電感、電容等參數(shù)，而形成變壓器的共模噪聲路徑。

　　普通隔離變壓器對(duì)共模噪聲有一定的抑制作用，但因繞組間分布電容使它對(duì)共模干擾的抑制效果隨頻率升高而下降。普通隔離變壓器對(duì)共模干擾的抑制作用可用初次級(jí)間的分布電容和設(shè)備對(duì)地分布電容之比值來(lái)估算。通常初次級(jí)間的分布電容為幾百pF，設(shè)備對(duì)地分布電容為幾~ 幾十nF，因而共模干擾的衰減值在10~20 倍左右，即20~30dB。為了提高隔離變壓器對(duì)共模噪聲的抑制能力，關(guān)鍵是要耦合電容小，為此，可以在變壓器初次級(jí)間增設(shè)屏蔽層。屏蔽層對(duì)變壓器的能量傳輸無(wú)不良影響，但影響繞組間的耦合電容。帶屏蔽層的隔離變壓器除了能抑制共模干擾外，利用屏蔽層還可以抑制差模干擾，具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級(jí)的中線端。對(duì)50Hz 工頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，由于初級(jí)與屏蔽層構(gòu)成的容抗很高，故仍能通過(guò)變壓器效應(yīng)傳遞到次級(jí)，而未被衰減。對(duì)頻率較高的差模干擾，由于初級(jí)與屏蔽層之間的容抗變小，使這部分干擾經(jīng)由分布電容及屏蔽層與初級(jí)中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而不進(jìn)入次級(jí)回路。

　　因此，對(duì)變壓器的高頻建模非常重要，特別是變壓器的許多寄生參數(shù)，例如：漏感，原副邊之間的分布電容等，它們對(duì)共模EMI 電平的高低有著顯著的影響，必須加以考慮。實(shí)際中，可以使用阻抗測(cè)量設(shè)備對(duì)變壓器的主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，從而獲得這些參數(shù)并進(jìn)行仿真分析。

　　半橋電路中的直流電解電容Cin有相應(yīng)的串聯(lián)等效電感ESL 和串聯(lián)等效電阻，這兩個(gè)參數(shù)也影響到電路的高頻性能，一般情況下ESL 大約在幾十nH 左右。在實(shí)際分析中，無(wú)源元件，如電阻器、電感器和電容器的高頻等效寄生參數(shù)可用高頻阻抗分析儀測(cè)得，功率器件的高頻模型可以從電路仿真軟件的模型庫(kù)中得到。

　　另外一個(gè)對(duì)電路的高頻噪聲影響較大的因素是印制板上印制導(dǎo)線（帶狀線）的相互耦合，當(dāng)一個(gè)高幅度的瞬變電流或快速上升的電壓出現(xiàn)在靠近載有信號(hào)的導(dǎo)體附近，就將產(chǎn)生干擾問(wèn)題。印制導(dǎo)線的耦合情況通常用電路和導(dǎo)線的互容和互感來(lái)表征，容性耦合引發(fā)耦合電流，感性耦合引發(fā)耦合電壓。PCB 板層的參數(shù)、信號(hào)線的走線和相互之間的間距對(duì)這些參數(shù)都有影響。

　　建立印刷電路板走線高頻模型和提取走線間寄生參數(shù)的主要困難是決定印刷板線條單位長(zhǎng)度的電容量和單位長(zhǎng)度的電感量。通常有三種方法可以用來(lái)決定電感、電容矩陣元件：

　?。?）有限差分法（FDM）；（2）有限元法（FEM）；（3）動(dòng)量法（MOM）。

　　當(dāng)單位長(zhǎng)度矩陣被精確的決定以后，通過(guò)多導(dǎo)體傳輸線或部分元等效電路（PEE C）理論，就可以得到印刷電路板走線的高頻仿真模型。Cadence 軟件是一種強(qiáng)大的EDA 軟件，它的SpecctraQuest 工具可以對(duì)PCB 進(jìn)行信號(hào)完整性和電磁兼容性分析，用它也可以對(duì)印刷電路板走線進(jìn)行高頻建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)給定結(jié)構(gòu)的PCB 進(jìn)行參數(shù)提取，并且生成任意形狀印制導(dǎo)線走線的電感、電容、電阻等寄生參數(shù)矩陣，然后利用PEEC 理論，就可以進(jìn)行EMC 仿真分析。

　　3 共模和差模噪聲的電路模型

　　通常電路中的共模干擾和差模干擾是同時(shí)存在的，共模干擾存在于電源的任意一個(gè)相線與大地之間，差模干擾存在于相線與相線之間。法國(guó)Grenoble 電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Teuling、Schnaen 和Roudet 基于由MOSFET 構(gòu)成的400W、開(kāi)關(guān)頻率為100KHz 的斬波電路實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷难芯勘砻鳎皖l時(shí)差模干擾占主導(dǎo)地位；高頻時(shí)，共模干擾占主導(dǎo)地位，這說(shuō)明開(kāi)關(guān)電源的差模干擾和共模干擾對(duì)電路的影響程度是不同的；另一方面，線路寄生參數(shù)對(duì)差模干擾和共模干擾的影響也不同，由于線間阻抗與線———地阻抗不同，干擾經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模大。因此，為了解決開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)噪聲問(wèn)題，需要首先區(qū)分共模和差模干擾，這就需要建立共模和差模噪聲路徑，然后對(duì)它們分別進(jìn)行仿真和分析，這種方法便于我們找到電磁干擾問(wèn)題的根源，便于問(wèn)題的解決。

　　在工程上可以用電流探頭來(lái)判斷電源是共模還是差模占主導(dǎo)地位，探頭先單獨(dú)環(huán)繞每根導(dǎo)線，得出單根導(dǎo)線的感應(yīng)值；然后再環(huán)繞兩根導(dǎo)線，探測(cè)其感應(yīng)情況，如果感應(yīng)值是增加的，則線路中的干擾電流是共模的，反之是差模的。在理論分析中，針對(duì)不同的系統(tǒng)，需要分別建立它們的共模和差模噪聲電流模型，在我們上述分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮功率器件的高頻模型和印制導(dǎo)線相互耦合關(guān)系，我們得到了半橋QRC 變換器的共模和差模干擾電路模型，它示于圖3。圖中的LISN（Line ImpedenceStabilizing network） 是EMC 檢測(cè)規(guī)定的線性阻抗固定網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)閷?duì)于50Hz 工頻信號(hào)LISN 的電感表現(xiàn)為低阻抗，電容表現(xiàn)為高阻抗，所以對(duì)工頻信號(hào)LISN 基本不衰減，電源可以經(jīng)LISN 輸送到半橋變換器中。而對(duì)于高頻噪聲，LISN 的電感表現(xiàn)為大阻抗，電容可以視為短路，所以LISN 阻止了高頻噪聲在待測(cè)設(shè)備和電網(wǎng)之間的傳送，因此，LISN 起到了為共模和差模干擾電流在所需測(cè)量的頻段（典型值為100KHz ~30MHz）提供一個(gè)固定的阻抗（50ohm）的作用。

　　圖3 半橋QR C 變換器的噪聲模型

　　在上圖中，共模噪聲電流分別從兩套LISN 出發(fā)，經(jīng)過(guò)電路開(kāi)關(guān)器件、變壓器、PCB 印制導(dǎo)線、副邊電路，又回到LISN 形成共模噪聲電流回路。差模噪聲電流則在兩套LISN、印制導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)器件、變壓器之間形成回路。共模噪聲和差模噪聲可以分別取自兩套LISN的電阻上電壓的之差的一半或之和的一半。

　　即：

　　所以：

　　用同樣的方法，可以很方便的得到其它拓?fù)涞膫鲗?dǎo)干擾電路模型。