開關(guān)電源傳導EMI預測方法研究

　　有很多對PCB結(jié)構(gòu)進行寄生參數(shù)抽取軟件，如InCa,SIwave,Q3D 等，分別用不同的方法對PCB的寄生參數(shù)進行計算和提取，如部分元等效電路方法、有限元分析方法、有限元分析方法和矩量法結(jié)合的方法等。其中InCa軟件只能計算分布電感，不適合計算分布電容，不宜處理共模干擾的仿真分析；SIwave軟件提取出來的是電路的Ｓ參數(shù)，不能清晰地反映PCB中的耦合情況及其對開關(guān)電源EMI的影響；Q3D 軟件利用FEA 和MOM結(jié)合的方法求解電磁場，可以得到PEEC部分元等效電路，也可以得到PCB上各導體的互感互容，可以清晰地分析各種情況下PCB結(jié)構(gòu)對開關(guān)電源EMI的影響。

　　J.Ekman提出了基于寄生參數(shù)矩陣的等效電路的建立方法，即把所有互感、互容等效成受控的電壓源，與自感、自容連接（相當于把所有互感、互容對電路的影響等效到受控電壓源上），從而建立等效電路模型。圖4所示為任意兩個節(jié)點間的等效電路模型。

圖4　任意兩節(jié)點間的等效電路模型

　　圖4中：

　　式中：Lpmn為m和n兩導線間的互感。

　　雖然這樣可以提高仿真的準確性，但是加大了分析的計算量，可以通過忽略一些對結(jié)果影響不是很大的互感、互容，減少計算量。

　　散熱片與開關(guān)管之間會有電容效應，噪聲可以通過該效應在電路和地之間進行傳播，文獻【9】對散熱片在開關(guān)電源傳導和輻射干擾中的影響作了詳細的闡述。

　　還有其他的在空間通過電感或電容耦合傳到接收器的噪聲，不可以忽略。

　　模型建立之后，就可以使用仿真軟件對開關(guān)電源EMI進行仿真，得到開關(guān)電源傳導EMI的頻譜波形，通過分析波形可以定位開關(guān)電源EMI的問題所在，進而通過解決該問題而降低EMI。

　　5　降低EMI的設(shè)計方法及策略

　　降低開關(guān)電源EMI，需要從噪聲源和傳播路徑入手。首先，對于噪聲源，可以通過加吸收電路，減小di/dt和dv/dt來降低其EMI水平，但是這樣一來，開關(guān)電源的效率將會受到影響，需要對這兩者進行一定的取舍。

　　然后是對傳播路徑進行改進。改進的目的是要使傳播路徑對于干擾的阻抗增大，阻斷其向接收器的傳播，而對于電網(wǎng)提供的功率，阻抗要小，從而增加開關(guān)電源的工作效率。

　　選取元件時需要盡量選取寄生參數(shù)影響小的元件，比如電容的ESR和ESL要盡量小，電感的寄生電容要小等。在PCB以及散熱片的位置等設(shè)計過程中，也要盡可能增大對干擾傳播路徑的阻抗，使噪聲盡可能少的通過PCB路徑傳導到接收器。

　　如果以上所有降低EMI的措施都完成了還沒有達到EMC的標準，就可以根據(jù)前面仿真分析得到的差模和共模干擾的波形對濾波器進行設(shè)計。在設(shè)計濾波器的時候，也同樣要注意元件的布局，還有PCB寄生參數(shù)對濾波器阻抗的影響，其本質(zhì)也是增大對干擾的阻抗，使干擾無法通過傳播路徑。開關(guān)電源設(shè)計流程如圖5所示。

圖5　開關(guān)電源設(shè)計流程

　　6　結(jié)論

　　綜上所述，目前對于開關(guān)電源傳導干擾的預測方法有時域方法和頻域方法兩種，由于時域方法需要使用很小的計算步長，需要花費很長的計算時間，容易出現(xiàn)仿真結(jié)果不收斂的問題。同時，時域仿真得到的結(jié)果往往不能清晰地分析電路中各個變量對干擾的影響。而頻域仿真物理意義清晰，更容易判斷各參數(shù)對EMI的影響，能夠為降低EMI提供有力依據(jù)，關(guān)鍵問題是建立合理的干擾源和傳播途徑的頻域模型。

　　對于PCB寄生參數(shù)的提取，有很多軟件，這些軟件適合的領(lǐng)域不盡相同，可以根據(jù)任務需求進行選擇。

　　對于高頻等效電路模型，可以通過電路分析的方法忽略一些對EMI影響很小的互感、互容等因素，既減少計算量，又不會降低過多的計算精度。

　　降低EMI的主要方法就是使傳播路徑對電磁干擾的阻抗增大，使電磁干擾盡可能少的通過傳播路徑，對于濾波器設(shè)計可以分別根據(jù)DM 噪聲和CM 噪聲的仿真結(jié)果進行設(shè)計，并且需要特別注意濾波器的元件布局，好的布局能夠更好地抑制噪聲的傳播。