开关电源的电磁干扰机理分析及其辐射发射预测技术- 『集成电路(IC)电磁 ...企业库|免费b2b网站

开关电源的电磁干扰机理分析及其辐射发射预测技术- 『集成电路(IC)电磁 ...

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摘要针对上程中开关类设备的电磁兼容问题，着重探讨开关电源电磁干扰的形成机理及其辐射发射的预测模型从传导和辐射两个方而分析开关电源电磁干扰产生的机理;并运用辐射偶极子理论，结合有限元方法建立了开关电源辐射发射的数学模型。在此基础上，借助软件上具对开关电源的辐射发射进行模拟仿真，分析差模回路而积、形状以及谐波电流频率对近场辐射的影响，从而实现对开关电源辐射发射的数值预测。
关键词开关电源;辐射发射;预测;有限元

1引言
开关电源( Sw itch ing M ode POW er Supply smPS)}}{因具有体积小、重量轻、高效能、高可靠性等特征被广泛应用于各种电气电了系统中。其基本工作原理是利用半导体器件的开和关特性，通过高频数字电路控制功率开关管的通断时问比以达到控制输出电源品质的目的，与此同时也产生了较强的电磁干扰(ELVI I)，这些干扰经传导和辐射方式传播往往会对附近的电了设备造成严重影响[2一3{。6 a( M% M# j8 R
通过数值计算来预测开关电源产生的电磁干扰对于解决工程中的系统级电磁兼容(EUIC)问题有着很强的实际意义[a-5{。以往一些文献的研究工作主要侧重于对开关电源产生的传导发射进行分析，通过构建电路模型或是采取实验测量的方法对传导发射实施定量分析和预测[6一9{，而在辐射发射方面的研究涉及甚少。由于开关电源的控制和
转换部分都能产生辐射发射，特别是随着开关电源的小型化、高频和大功率设计，其近场辐射能量较大，如不加以控制往往会对周围敏感设备形成较强的电磁干扰危害。因此，建立开关电源辐射发射的数学模型，并运用数值方法对其辐射发射进行预测分析，能够有效减小开关电源的辐射干扰影响，从而实现良好的系统级电磁兼容设计。
本文针对工程中的开关类设备电磁兼容问题，着重探讨了开关电源电磁干扰的形成机理及其辐射发射的预测模型。( |* F( m- f. \/ c' ~! f
2开关电源电磁干扰形成机理分析
开关电源一般采用半桥式功率转换电路，工作时两个开关三极管轮流导通来产生高频脉冲波，然后通过高频变压器转换为所需的输出直流电压。& E4 }, u1 R3 Y' v5 N4 A1 s; K
考虑到目前大量应用的开关电源都是采取AC /DC一DC /DC级联的形式，因此图1所示开关电源结构具有较强的代表性。5 u; q# g y4 d' u. u! ? P" o
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开关电源产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中产生的高dildt和高dvldt它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。整流电容充电放电，开关管和输出整流二极管的电压、电流在高频工作时的快速切换都是这类电磁干扰源，它们通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空问辐射电磁能量} i o}
将开关电源的电路结构用原理框图描述如图2所示。

  由图2可知交流电网电压经{dy}次的整流和滤波平滑后变成直流电压作为DC /DC变换器的输入电压。然后，通过二次整流滤波得到输出直流电压，即为所需要的负载电压。采样电压与基准电压进行比较，将比较差值放大后用以调节开关控制脉冲的占空比，从而调节变换电路中功率变换开关的通断比来稳定输出电压。
由以上工作原理，从干扰源的角度来分析开关电源所产生的传导和辐射干扰:/ N7 y; A9 U% @/ {; U$ x: f
1)一次整流回路产生的电磁干扰
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开关电源的输入普遍采用桥式整流、电容滤波型整流电路。在这样的一次整流回路中，由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，整流二极管只有在交流输入电压大于滤波电容充电电压时才导通。输入电流脉冲大于平均电流的5到10倍以上，成为一个时问较短、峰值很高的周期性畸变电流，它含有丰富的高次谐波分量，如不加抑制则对电网产生严重的谐波污染。6 J  d7 M5 C: J* f$ [4 H; h' P
2)开关管工作时产生的电磁干扰
由于开关电源的开关管工作频率很高，开关管的电压、电流切换速度很快，其传导干扰和辐射干扰也非‘常强。: u* m% }( G& A0 b' l0 c
开关电源工作过程中，由初级滤波大电容、高频变压器初级线圈和开关管构成了一个高频电流环路，该环路包含有典型梯形电流波形，因而具有高频谐波分量(典型的数值在MH，范围)，这会产生较大的辐射干扰。如果一次整流回路的滤波不足，则高频电流还会以差模方式传导到交流电网中去。5 r- w5 I0 P" e, c! B* ]
另一方面，当原来导通的开关管关断时，由于电流突变，变压器绕组漏感所产生的反电势U=-Ldildt会叠加在关断电压上，因而会在变压器初级线圈的两端出现较高的尖峰电压和浪涌电流，其所含有的高次谐波会馈送到电网形成谐波干扰，同时这些谐波还将以辐射发射方式干扰其它设备的工作。8 M! i9 l$ F* F4 v& b
3)二次整流回路产生的电磁干扰  g6 m, R6 a$ Y! v0 p8 u) l; f* E
开关电源工作过程中，二次整流回路中的整流二极管也处于高频通断状态。由脉冲变压器次级线圈、整流二极管和滤波电容构成了高频开关电流环路，所含高频谐波分量会产生较大的辐射干扰。& I4 I. v* X# Z& Z* V! v
如果二次整流回路的滤波不足，则高频电流还会以差模方式混在输出直流电压上，影响负载电路的正常工作。
另一方面，高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其反向截止时由于PN结中有较多的载流了积累，在短时问内要让存储电荷消失就会产生反向电流浪涌，这样致使载流了消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(dildt)，因而形成了强烈的高频衰减振荡。! S2 J) l0 `* ~! k
4)其它
开关电源的分布参数也易形成干扰，开关电源和散热器之问的分布电容、变压器初次级之问的分布电容、原副边的漏感都是干扰源。共模干扰就是通过变压器初、次级之问的分布电容以及开关电源与散热器之问的分布电容传输的。此外，控制回路的脉冲控制信号也是可能的干扰源。' C; R0 B8 C4 l% ^
由以上分析可知:作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关期问以及与之相连的高频变压器;开关频率不高(从儿十千赫和数兆赫兹)，主要的干扰形式是传导发射和辐射发射。
3开关电源辐射发射预测模型) P) g& r( Q7 q% I3 b# R2 X$ }
随着开关电源开关器件工作频率的日益提高输出功率的不断增大，使得开关电源电磁干扰的频谱宽度高达辐射频段，由此所产生的辐射发射(特别是近场辐射)对于设备的电磁兼容性影响是致关重要的。
开关电源对周围环境所产生的辐射干扰主要是由流过开关电源电缆线的共模电流和差模电流所引起的。其转换部分的印制导线中流过的电流含有大量的高次谐波噪声，通过闭台回路向周围空问车np1射电磁能量。
开关电源的等效辐射空问场如图3所示。

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由图3可以看出，产生辐射空问场的等效电路是一种带有接地平面的规则形状的闭合印制线环路，在回路的两端分别接有电压源和阻抗相等的源内阻和负载。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，因而成为了一种严重的辐射发射源。( S6 ]& P, ]. |2 h( L
由于印制导线有一定的宽度和厚度，电流有谐波分量，并目_电流横截面的变化可以忽略不计，因此可以使用偶极了(磁偶极了或电偶极了)的辐射模型[川来表述。开关电源电路的传导部分被认为是许多理想的辐射偶极了，每个偶极了的长度dl足够短，上面流过的电流近似为常数。在圆柱坐标系中，开关电源偶极了的辐射场方程可表示为:/ r. V2 G7 i9 x4 M5 q

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辐射导线可以看作是由很多的偶极了连接而成，整个辐射场是所有偶极了辐射场的作用和。在近场区域，式(1),(2)中的静电项1 /}} r3是主要的。它表示在一个独立的偶极了末端计算出来的静电荷场。如果两个偶极了串联目_流过同样的电流，通常认为在公共末端的静电荷会出现不同的极性，使得它们的静电场抵消，如图4 ( a)所示。但实际上，由于式(1)中的表示每个偶极了中心和观测点之问的距离，这样式(1)中的静电项应该是从偶
极了中心计算合成而不是从它的两端计算合成，如图4( b)所示。这样，当r比较小的时候(也就是近场)，由于它们的分布使得总的辐射场不会xx抵消，这将会导致过多估计静电场能的数值。- Y( P0 {+ c- e r8 Y# ? B

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  三维空问辐射场区域内的电场电位分布可用{dy}类边界条件的Lap}ac二方程描述为:
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4仿真与结果分析/ _5 M& k, f( B6 Y/ u  `1 g
为实施开关电源的辐射发射预测，有必要通过数值仿真进行计算分析。根据前面提出的开关电源辐射发射预测模型，这里运用A nsoft H FSS软件对其辐射特性进行仿真。
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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。根据图3所示的结构，取正方形闭合回路的面积为10<m x 10<m进行模拟，信号频率为3QVIH z0图}6分别为仿真得到的谐波电流辐射的近场直角坐标球面坐标三维方向图，从中可以很明显地看出:由于印制线回路接地平面的存在使得辐射功率主要集中在接地平面上方。
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图8显示了当闭合印制线回路的面积保持
100cm2不变时，回路矩形长边为25cm,短边为4cm情况下所产生的近场辐射。可以看到，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，

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其近场辐射显著减小。这说明:即使回路的面积相同，如果回路形状发生变化，其产生的近场辐射也会随着变化，因而适当地改变其形状(使之越来越狭长)可以减小开关电源的辐射干扰。
进一步地，我们考察近场辐射与回路谐波电流频率的关系。保持相同结构的闭合印制线回路，在H FSS中设置扫频范围为1MH z} 5(1VVIH;运行后观察到近区辐射场强随频率的变化如图9所示:随着频率增高，相同结构的闭合印制线回路产生的辐射干扰跟着增强。并目_随着电流谐波频率增高辐射能量逐渐向回路的正面“转移”，如图10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，从而对回路的辐射场产生更大的反射效果。
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从开关电源辐射发射的数值仿真结果可以看出，谐波电流的近场辐射干扰随着闭合回路的面积增加而增强，并呈线性变化;回路的形状对于辐射干扰也有影响;此外，谐波电流频率的增高会使辐射干扰能量更集中于接地平面的上方。
5结语' g+ j0 v1 I0 b; v) s4 q8 q5 v3 u
针对工程中开关类设备的电磁兼容问题，着重探讨了开关电源电磁干扰的形成机理及其辐射发射的预测模型。主要从传导和辐射两个方面分析了开关电源电磁干扰产生的机理;并运用辐射偶极了理论，结合有限元方法建立了开关电源辐射发射的数学模型。在此基础上，借助A nsoft H FSS软件工具对开关电源的辐射发射进行模拟仿真，分析了差模
回路面积、形状以及谐波电流频率对近场辐射的影响，从而实现对开关电源辐射发射的数值预测。

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