开关电源传导EMI预测方法研究

本文针对开关电源设计阶段应考虑的EMC问题，介绍了PCB及其结构寄生参数提取和频域仿真的方法，在开关电源设计阶段对其传导EMI进行预测，定位开关电源传导EMI传播路径的影响因素，在此基础上给出开关电源PCB及其结构设计的基本原则。对开关电源EMI预测过程中需要注意的问题以及降低开关电源传导EMI的方法策略进行了分析和总结。

1　引言

随着开关频率的提高以及功率密度的增加，开关电源内部的电磁环境越来越复杂，其电磁兼容问题成为电源设计中的一大重点，同时也成为电源设计工作的一大难点。常规设计方法中，依靠经验设计处理EMC问题，样机建立完毕之后才能对EMC问题做最后的考虑。传统的EMC的补救办法只能增加额外的元器件，而增加元件有可能影响原始的控制环带宽，造成重新设计整个系统的最坏情况，增加了设计成本。为了避免出现这样的情况，需要在设计过程中考虑EMC的问题，对开关电源的EMI进行一定精度的分析和预测，并根据干扰产生的机理及其在各频带的分布情况改进设计，降低EMI水平，从而降低设计成本。

2　开关电源EMI特点及分类

对开关电源传导电磁干扰进行预测，首先需要明确其产生机理以及噪声源的各项特性。由于功率开关管的高速开关动作，其电压和电流变化率都很高，上升沿和下降沿包含了丰富的高次谐波，所以产生的电磁干扰强度大；开关电源的电磁干扰主要集中在二极管、功率开关器件以及与其相连的散热器和高频变压器附近；由于开关管的开关频率从几十kHz到几MHz，所以开关电源的干扰形式主要是传导干扰和近场干扰。其中，传导干扰会通过噪声传播路径注入电网，干扰接入电网的其他设备。

开关电源传导干扰分为2大类。
1）差模（DM）干扰。DM 噪声主要由di/dt引起，通过寄生电感，电阻在火线和零线之间的回路中传播，在两根线之间产生电流Idm，不与地线构成回路。
2）共模（CM）干扰。CM 噪声主要由dv/dt引起，通过PCB的杂散电容在两条电源线与地的回路中传播，干扰侵入线路和地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路；在实际电路中由于线路阻抗不平衡，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰。

3　开关电源EMI的仿真分析

从理论上来讲，无论是时域仿真还是频域仿真，只要建立了合理的分析模型，其仿真结果都能正确反映系统的EMI量化程度。

时域仿真方法需要建立变换器中包含所有元件参数的电路模型，利用PSPICE或Saber软件进行仿真分析，使用快速傅里叶分析工具得到EMI的频谱波形，这种方法在DM 噪声的分析中已经得到了验证。然而开关电源中的非线性元件如MOSFET，IGBT 等半导体器件，其非线性特性和杂散参数使模型非常复杂，同时开关电源电路工作时其电路拓扑结构不断改变，导致了仿真中出现不收敛的问题。在研究CM 噪声时，必须包含所有的寄生元件参数，由于寄生参数的影响，FFT结果和实验结果很难吻合；开关功率变换器通常工作在很大的时间常数范围内，主要包括3组时间常数：与输出端的基本频率有关的时间常数（几十ms）；与开关元件的开关频率有关的时间常数（几十μｓ）；与开关元件导通或关断时的上升时间和下降时间有关的时间常数（几ns）。

正因如此，在时域仿真中，必须使用非常小的计算步长，并且需要用很长时间才能完成计算；另外，时域方法得到的结果往往不能清晰地分析电路中各个变量对干扰的影响，不能深层解释开关电源的EMI行为，而且缺乏对EMI机理的判断，不能为降低EMI给出明确的解决方案。

频域仿真是基于噪声源和传播途径阻抗模型基础上的分析方法。利用LISN为噪声源提供标准负载阻抗。如图1所示，从LISN看过去，整个系统可以简化成噪声源、噪声路径和噪声接收器（LISN）。频域方法可以大大降低仿真计算的时间，一般不会出现计算结果不收敛的情况。

图1　噪声源与传播路径概念

图1中，噪声路径包括PCB传导、耦合路径，散热片电容耦合路径，变压器耦合路径等。
 

本文针对开关电源设计阶段应考虑的EMC问题，介绍了PCB及其结构寄生参数提取和频域仿真的方法，在开关电源设计阶段对其传导EMI进行预测，定位开关电源传导EMI传播路径的影响因素，在此基础上给出开关电源PCB及其结构设计的基本原则。对开关电源EMI预测过程中需要注意的问题以及降低开关电源传导EMI的方法策略进行了分析和总结。

1　引言

随着开关频率的提高以及功率密度的增加，开关电源内部的电磁环境越来越复杂，其电磁兼容问题成为电源设计中的一大重点，同时也成为电源设计工作的一大难点。常规设计方法中，依靠经验设