開(kāi)關(guān)電源差模電流輻射干擾的模擬與分析

西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 710071 陳常杰 路宏敏 翠曉輝

l、引言：

開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾問(wèn)題主要立括傳導(dǎo)發(fā)射(conducted emission)干擾和輻射發(fā)時(shí)(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(xiàn)象"，與一般通信領(lǐng)域中人為的向外發(fā)射電磁波不同，開(kāi)關(guān)電源中的發(fā)射常常是無(wú)意的，如果不加以控制，就會(huì)對(duì)周?chē)碾娮釉O(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。隨著開(kāi)關(guān)電源的小型化、高頻和高功率設(shè)計(jì)，閉合印制線回路引起的輻射干擾(差模干擾)己成為開(kāi)關(guān)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(duì)減小開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)和關(guān)工作，并以開(kāi)和關(guān)的時(shí)間比來(lái)控制輸出電壓的高低，由于其通常工作在20KHz以上的開(kāi)關(guān)頻率工作，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)的dv／dt、di／dt很大，產(chǎn)生嚴(yán)重的浪涌電壓、浪涌電流和其它各種噪聲。圖1是典型的開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)圖和產(chǎn)生噪聲的回路，含有大量高次諧波的噪聲通過(guò)閉臺(tái)回路向空間輻射電磁能量，即差模電流的輻對(duì)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(nèi)阻、負(fù)載，當(dāng)電壓信號(hào)的頻率較高時(shí)，這種結(jié)構(gòu)與方環(huán)形天線是非常相似的，成為一·種嚴(yán)重的輻射源。

3、數(shù)值模擬：

對(duì)于建立好的模型．可以通過(guò)電磁場(chǎng)的數(shù)值模擬軟件來(lái)對(duì)其輻射特性進(jìn)行分析。在這里我們使用Ansoft?的HFSS(High Frequency Structure Simulator)來(lái)進(jìn)行模擬。首先來(lái)研究這種閉合印制線回路的面積發(fā)生變化時(shí)其輻射特性如何發(fā)生變化。當(dāng)差模輻射用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來(lái)模擬時(shí)，在距離輻射回路為的遠(yuǎn)場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）為回路中電流信號(hào)的頻率，S(m2)為回路面積，1(A)為電流強(qiáng)度，θ（0）為測(cè)量天線與輻射平面的夾角。我們根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，取正方形閉合回路的邊長(zhǎng)分別為3cm、4cm、5cm、6cm和7cm進(jìn)行模擬，信號(hào)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(yuǎn)場(chǎng)三維方向圖(由于閉合回路的邊長(zhǎng)變化時(shí)其遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖是非常相似的，此處只給出邊長(zhǎng)為5cm時(shí)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(shí)，遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度與回路面積呈線性變化關(guān)系(本文中的電場(chǎng)強(qiáng)度均指在閉合印制線回路輻射方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度)，這與式(1)是完全符合的。

4、結(jié)果分析：

閉合印制線回路的面積越大，差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾就越嚴(yán)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(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的輻射干擾效果一樣會(huì)隨著變化，甚至產(chǎn)生相當(dāng)大的差異。圖5顯示了當(dāng)閉合印制線回路的面積保持25cm2不變時(shí)，矩形印制線回路源與終端所在的邊分別為2cm、3cm、4cm和5cm時(shí)差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾效果，且在頻率為500MHz、1GHz和1．5GHz時(shí)分別進(jìn)行考慮。顯然，頻率增高，相同結(jié)構(gòu)的閉合印制線回路產(chǎn)生的輻射干擾跟著增強(qiáng)，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(zhuǎn)移"，如圖3所示，這是因?yàn)轭l率的增高使得接地平面相對(duì)于差模電流信號(hào)的電尺寸變大，從而對(duì)閉合印制線回路的輻射場(chǎng)產(chǎn)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(lái)越狹長(zhǎng)的矩形，差模電流所產(chǎn)生的輻射干擾顯著減小。也就是說(shuō)，即使閉合印制線回路的面積相同。適當(dāng)?shù)馗淖兤湫螤睿怪絹?lái)越狹長(zhǎng)，同樣可以減小相同強(qiáng)度的差模電流的輻射干擾。

閉合印制線回路上流過(guò)的差模電流產(chǎn)生的輻射干擾在各個(gè)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(shí)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(cè)，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，分別為X、Y方向極化分量的兩倍左右，對(duì)于源和終端所在邊為2cm、4cm和5cm時(shí)的閉合回路也是如此。

根據(jù)印制線路板上差模電流的輻射特性，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行印制線路板和機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候可以從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：

1．通過(guò)改變閉合印制線回路的形狀，使之盡量狹長(zhǎng)?？梢杂行У臏p小差模電流的輻射干擾水平。

2．根據(jù)差模電流在各個(gè)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的電長(zhǎng)度，這樣可以保證它們耦合到較少的電磁能量。

3．在對(duì)機(jī)箱內(nèi)部的電纜進(jìn)行布線設(shè)計(jì)時(shí)，確保電纜在較大輻射水平的極化方向上的電長(zhǎng)度，從而使電纜耦合到的電磁能量。

4．確定得到的機(jī)箱對(duì)外輻射效果的通風(fēng)窗或者是觀察窗的位置和結(jié)構(gòu)。通風(fēng)窗或觀察窗應(yīng)盡可能的安裝在輻射水平較低的位置，如果通風(fēng)窗或觀察窗是由矩形孔構(gòu)成的，還應(yīng)該考慮輻射場(chǎng)在窗口位置的各個(gè)方向的極化水平，盡量使矩形孔的長(zhǎng)邊不在輻射水平的極化方向上，以便使從機(jī)箱輻射出去的電磁能量。

對(duì)以上幾點(diǎn)進(jìn)行考慮的時(shí)候還要綜合其它結(jié)構(gòu)的干擾源的輻射效果，比如繼電器、散熱器和電纜產(chǎn)生的輻射干擾，而這些都是可以通過(guò)數(shù)值或者是解析的方法得到的。

5、結(jié)論：

從對(duì)開(kāi)關(guān)電源差模電流的輻射干擾進(jìn)行電磁場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)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(qiáng)，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(lái)越狹長(zhǎng)，差模電流引起的輻射干擾就越來(lái)越小。同時(shí)，差模電流的輻射干擾在各個(gè)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(jìn)行開(kāi)關(guān)電源印制線路板設(shè)計(jì)和機(jī)箱內(nèi)部的電磁兼容性設(shè)計(jì)的依據(jù)。