和軍平，紀(jì)科健，付 琦，王汝泉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳518055)

1 引言

隨著開關(guān)電源技術(shù)進一步高頻化、高功率密度化，其電磁干擾發(fā)射也日益嚴(yán)重［1］。作為開關(guān)電源電磁干擾重要指標(biāo)的遠場電磁輻射發(fā)射不僅容易影響附近無線電子設(shè)備的正常工作，也常造成30～300MHz頻段電磁輻射發(fā)射超標(biāo)，使開關(guān)電源以及由其供電的電器、電子系統(tǒng)的電磁兼容認(rèn)證失敗，成為開關(guān)電源設(shè)計中的一個挑戰(zhàn)［2-3］。由于開關(guān)電源結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、電磁輻射理論也復(fù)雜，國內(nèi)外對開關(guān)電源遠場電磁輻射發(fā)射機理和特性的深入研究尚較少［3-5］。文獻［3］介紹了用濾波器、RC 吸收電路來降低開關(guān)電源輻射發(fā)射的設(shè)計經(jīng)驗，但未對輻射機理進行分析。文獻［4］對反激開關(guān)電源原邊高頻環(huán)路的差模輻射進行仿真，然而已有的實踐及研究表明開關(guān)電源的共模輻射是30～300MHz頻段輻射的主要原因。文獻［5］仿真研究了開關(guān)電源中浮地散熱器的輻射，然而工業(yè)界目前已普遍將散熱器接地處理。對于一般電子設(shè)備的“線纜+PCB”結(jié)構(gòu)，文獻［6-7］對其電磁輻射發(fā)射機理進行了深入分析，提出電壓驅(qū)動、電流驅(qū)動兩種基本共模輻射模式。我國學(xué)者對一般結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備也提出不對稱線纜共模輻射機理和改善建議［8］。但很少有文獻對開關(guān)電源的共模輻射形成機理進行細(xì)致的量化分析和研究。此外，一些開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)與前述結(jié)構(gòu)有很大不同，具有不同的共模輻射機理。

針對上述現(xiàn)況，本文根據(jù)共模電流形成的基本原理，對一臺單端反激開關(guān)電源在30～300MHz范圍內(nèi)的共模電磁輻射具體機理和特性進行深入地分析和研究。論文在分析開關(guān)電源共模電流路徑基礎(chǔ)上，辨識共模電磁輻射等效激勵源、輻射體結(jié)構(gòu)，得出新型的簡化共模輻射模型。進而利用Ansoft HFSS軟件研究了該模型的遠場輻射特性，并與實測結(jié)果進行對比和驗證。最后，針對模型的主要影響因素，仿真研究了輸入/輸出線纜長度、電網(wǎng)阻抗、地平面、線纜布局對共模遠場輻射特性的影響。

2 單端反激開關(guān)電源及其共模輻射模型

本文研究的小功率反激式開關(guān)電源主電路和主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電源主電路為普通單端反激電路，輸入線纜為 L、N、PE(接地)三芯線。輸出線纜為兩芯直流線，且輸出直流的負(fù)端與輸入線的PE相連。電源輸入為交流220V、輸出為直流 19V/60W。在電磁輻射發(fā)射測試(RE)中，該開關(guān)電源輻射強度在30～300MHz范圍遠超限值。

對于帶線纜的 PCB來講，已有的研究表明，由于線纜較長、其與地平面的間距也大，其共模電流造成的遠場輻射發(fā)射遠大于差模電流［6-7］，因而本開關(guān)電源的輸入線纜、輸出線纜及其上的共模電流是其遠場電磁輻射的關(guān)鍵形成因素。故此，下文即細(xì)致進行共模電流形成、輻射發(fā)射體結(jié)構(gòu)辨識以及共模輻射模型建立工作。

圖1 單端反激開關(guān)電源的主要結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of flyback converter

在本開關(guān)電源中，存在的干擾源主要有工頻整流橋、主電路的功率二極管D及開關(guān)管M。由于工頻整流橋工作頻率低、其上電壓、電流變化率也相對很小，不是主要干擾源。開關(guān)管M和二極管D的電壓、電流幅值變化大、頻譜強且頻帶寬，是主要的干擾源，故取M端電壓 VM、D端電壓 VD作為干擾源。再將變壓器T原、副邊間的寄生電容效應(yīng)用集總電容CT來表示，則可得到本開關(guān)電源共模電流的近似等效驅(qū)動源［9］，如圖2中虛線框所示;在本電源中，可能的共模輻射體包括輸入/輸出線纜、散熱器［5-6］。由于散熱器已焊接至直流母線負(fù)端，電位穩(wěn)定，其輻射作用已很弱。因此，輸入、輸出線纜是主要的輻射結(jié)構(gòu);由于主電路中電容 C1、C2射頻阻抗相對較小，將輸入線纜的 L、N芯線視為一體，輸出線纜的正、負(fù)芯線也視為一體，即可得如圖2所示的電壓驅(qū)動的基本共模輻射機理模型?？芍撃Ｐ途哂行碌慕Y(jié)構(gòu)，與文獻［6-7］基本模型有明顯不同。

圖2 單端反激開關(guān)電源遠場共模輻射發(fā)射機理模型Fig.2 Far field CM radiation model of flyback converter

3 共模輻射模型分析與驗證

為檢驗前述共模輻射模型的合理性，本文利用Ansoft HFSS有限元電磁軟件建立共模輻射模型，仿真預(yù)測遠場的電磁場強度，并與實測結(jié)果進行對比。

由于圖2中等效驅(qū)動源模型中的電壓、等效內(nèi)阻的準(zhǔn)確數(shù)值很難確定，在本仿真建模時用等效驅(qū)動源對外的端口電壓Vab來代表，以簡化處理;再根據(jù)開關(guān)電源輸入、輸出線纜芯線的實際幾何尺寸和物理布局，建立輻射體的結(jié)構(gòu)模型。輸入線纜設(shè)為800mm，輸出線纜長設(shè)為600mm，輸入線纜 L/N芯線的直徑設(shè)為1mm，PE線與L/N線間距為1.5mm，電網(wǎng)共模射頻阻抗設(shè)為25Ω，即建立起圖3所示的輻射發(fā)射 HFSS 3D仿真模型［10-11］。該模型水平放置，通過改變激勵源Vab的頻率和幅值，HFSS軟件就可計算出3m處空間各點的對應(yīng)頻率的場強。

圖3 水平布局的遠場共模輻射發(fā)射HFSS模型Fig.3 Horizontal layout HFSS model of far field CM radiation

為驗證所建模型的準(zhǔn)確性，搭建了實物平臺。使用諧波豐富的基頻30MHz的有源晶振的輸出作為激勵源，施加在ab點間。為減少外界因素的影響，用電池為晶振供電。用寬帶數(shù)字示波器測出圖2中Vab電壓，傅立葉分解后得出各次諧波的幅值，用于HFSS仿真。圖4顯示了在7m×4m×3m微波暗室測得的該模型在40～240MHz頻段3m處的水平、垂直方向的電場強度。表1具體列出60～210MHz 6個頻點的仿真場強和實測場強?？梢钥闯?，在 150MHz、180MHz、210MHz 等較高頻率點，實測與仿真很吻合，而在 60MHz、90MHz、120MHz 等低頻點，仿真與實測相差較大。這與微波暗室的低頻性能有限、仿真模型較簡化有關(guān)。

表1 實測結(jié)果與仿真結(jié)果比較Tab.1 Comparison of measured and simulation results

圖4 晶振激勵下線纜的3m處輻射場強Fig.4 3m radiation field strength of cable with crystal excitation

4 共模輻射模型特性及影響因素作用研究

從圖2模型可看出，輸入/輸出線纜長度、電網(wǎng)共模射頻阻抗、地平面、線纜布局對共模遠場輻射特性都會有影響。本節(jié)即用HFSS軟件對上述因素對輻射方向性、輻射場強等的影響進行細(xì)致考察［11］。

4.1 水平布局時輻射特性仿真和分析

4.1.1 輸出線長度對輻射特性的影響

按圖3水平布局，輸入線長度0.6m、激勵電壓1V、輸出線長度分別設(shè)為0.6m、0.8m、1m時，輻射方向圖、3m處電場強度仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)可以看出，輻射主要集中在線纜兩側(cè)方向。當(dāng)輸入、輸出線長度不同時，輻射方向逐漸向著輸出線方向靠攏;從圖5(b)可見，在100MHz頻率內(nèi)，輸出線長度越長，輻射強度越大。然而，在更高頻段，輸出線纜的長度對輻射效果的影響則不規(guī)律。

4.1.2 輸入線長度對輻射特性的影響

圖5 水平布局不同輸出線長度時的遠場電磁輻射仿真Fig.5 Far-field electromagnetic radiation simulation curves with different output-line length under horizontal layout

按圖3水平布局，輸出線長度0.6m、激勵電壓1V，輸入線長度分別設(shè)為0.6m、0.8m、1m時，輻射方向圖、3m處電場強度仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可以看出，輻射方向圍繞輸入線而變化，其規(guī)律和圖5(a)類似;從圖6(b)可見，輸入線會產(chǎn)生一些幅值較高的頻點，在這些頻點外，輸出線長度對輻射效果的影響不大。

4.1.3 地平面對輻射特性的影響

設(shè)輸入線纜長0.6m，輸出線長度分別為0.6m、0.8m、1m，增加理想地平面后，輻射方向圖、3m處電場強度仿真結(jié)果如圖7所示。與圖5(a)比較可見，由于地平面的反射作用，使輻射方向特性大為復(fù)雜。輻射方向明顯靠近輸入/輸出線纜的走向，并且兩瓣差異也變大;3m處電磁輻射場強的頻率曲線也出現(xiàn)更大起伏。與圖5(b)峰值相比，最大增加了6dB。

4.1.4 電網(wǎng)共模射頻阻抗對輻射特性的影響

為考察電網(wǎng)共模射頻阻抗的作用，設(shè)輸入線、輸出線長度均為0.6m，改變電網(wǎng)共模射頻阻抗值進行仿真。仿真結(jié)果表明，電網(wǎng)共模射頻阻抗為電阻、電感、電容以及開路條件下，其對輻射方向圖和3m處電磁輻射場強的影響均較小，具體圖略［11］。其原因可能是在輻射頻率范圍，輸入、輸出線的傳輸線效應(yīng)已較明顯，遠端阻抗的作用有限。

圖6 水平布局不同輸入線長度遠場電磁輻射仿真Fig.6 Far-field electromagnetic radiation simulation curves with different input-line length under horizontal layout

4.2 垂直布局時輻射特性仿真和分析

開關(guān)電源進行電磁兼容輻射發(fā)射認(rèn)證時，其輸入線通常由地平面垂直引出，其輸出線常平置于木桌上，即輸入線與輸出線近似垂直，因此，圖8所示垂直放置的共模輻射模型更接近實際情況。本節(jié)即對此布局，輸出線長度和地平面的影響進行分析。

4.2.1 輸出線長度對輻射特性的影響

按圖8垂直布局，輸入線長度固定為0.6m、激勵電壓1V、輸出線長度分別設(shè)為0.6m、0.8m、1.2m時，輻射方向圖、3m處電場強度仿真結(jié)果如圖9。從圖9(a)可以看出，輸入、輸出線等長時，輻射在0°和180°方向上最大。隨輸出線長度的增加，輻射方向逐漸向輸出線方向靠攏，這與水平布局時的趨勢類似;從圖9(b)可見，在200MHz頻段內(nèi)，遠場電磁輻射場強變化不大，200MHz以上時輻射強度隨著頻率增加而增強。

4.2.2 地平面反射對輻射特性影響

圖7 水平布局理想地平面下遠場電磁輻射Fig.7 Far-field electromagnetic radiation simulation curves with ideal ground under horizontal layout

圖8 垂直布局的遠場共模輻射發(fā)射HFSS模型Fig.8 Far field CM radiation HFSS model under vertical layout

在4.2.1的基礎(chǔ)上，添加理想地平面，以接近電波暗室輻射發(fā)射測試實際，圖10示出了輻射方向圖、3m處電場強度的仿真結(jié)果。從圖10(a)可以看出，地平面的反射使遠場電磁輻射方向發(fā)生明顯變化，電磁輻射接近沿著輸出線的方向進行分布;從圖10(b)可見，在30～300MHz范圍內(nèi)，遠場電磁輻射場強呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

此外，仿真結(jié)果也表明，在垂直布局下，電網(wǎng)共模射頻阻抗的影響也比較?。?1］。

圖9 垂直布局不同輸出線纜長度時的遠場電磁輻射Fig.9 Far-field electromagnetic radiation simulation curves with different output-line length under vertical layout

圖10 垂直布局理想地平面遠場電磁輻射Fig.10 Far-field electromagnetic radiation simulation curves with ideal ground under vertical layout

5 結(jié)論

(1)通過分析單端反激開關(guān)電源共模電流形成路徑和適當(dāng)簡化，得到由等效電壓驅(qū)動源、輸入L/N線、輸入PE線、輸出線纜構(gòu)成的一種新結(jié)構(gòu)的共模輻射機理模型。

(2)建起了上述新形式的共模輻射結(jié)構(gòu)的Ansoft HFSS 3D有限元模型，仿真預(yù)測其3m處的輻射發(fā)射幅值。實測結(jié)果證實模型的有效性。

(3)仿真考察了幾個典型因素對輻射方向圖、3m處輻射強度的作用。結(jié)果表明，輸入/輸出線纜布局、輸入/輸出線纜長度和地平面對遠場輻射特性有較大影響，電網(wǎng)共模射頻阻抗的影響小。

［1］Lee Fred C，Wyk J D Van，Liang Z X，et al.An integrated power electronics modular approach:concept and implementation［A］.Proceeding of 4thIPEMC［C］.Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press，2004.

［2］Santos M，Pires C，Guilherme J，et al.Overview of radiation effects and design constraints off fully custom SMPS［A］.Proceedings of IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems［C］.Macao:IEEE Press，2008.

［3］Vijay Damle，Pande D C.Solution to control radiated emissions from SMPS［A］.Proceedings of the 9thInternational Conference on Electromagnetic Interference and Compatibility［C］.Bangalore:IEEE Press，2006.

［4］陳常杰，路宏敏，李曉輝 (Chen Changjie，Lu Hongmin，Li Xiaohui).開關(guān)電源差模電流輻射干擾的模擬與分析(Simulation and analysis on radiated emission interference of differential mode current in SMPS)［J］.電子科技 (IT AGE)，2004，17(2):54-56.

［5］路宏敏，梁昌洪，李曉輝，等 (Lu Hongmin，Liang Changhong，Li Xiaohui，et al.).開關(guān)電源散熱器的輻射發(fā)射 (Radiated emissions from heatsinks in SMPS)［J］.電波科學(xué)學(xué)報 (Chinese Journal of Radio Science)，2005，20(2):241-246.

［6］Todd H Hubing.Printed circuit board EMI source mechanisms［J］.IEEE Trans.on EMC，2003，45(1):1-3.

［7］Hwan-Woo Shim，Todd H Hubing.Model for estimating radiated emissions from a printed circuit board with attached cables due to voltage-driven source［J］.IEEE Trans.on EMC，2005，47(4):899-907.

［8］沙斐，呂飛燕 (Sha Fei，Lv Feiyan).電子電氣設(shè)備的輻射發(fā)射及控制 (The radiation emission and control of electronic and electric equipment)［J］.印制電路與貼裝 (Printed Circuit Board Journal)，2001，5(2):82-84.

［9］和軍平，陳為，姜建國 (He Junping，Chen Wei，Jiang Jianguo).開關(guān)電源共模傳導(dǎo)干擾模型的研究 (Model and analysisoncommon modeconductedEMIofa switched mode power supply)［J］.中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE)，2005，25(8):50-55.

［10］王蒙，張玉，梁昌洪 (Wang Meng，Zhang Yu，Liang Changhong).有限元法與UTD結(jié)合計算機載天線方向圖(Analysis of airborne antenna using hybrid method of FEM and UTD)［J］.電波科學(xué)學(xué)報 (Chinese Journal of Radio Science)，2005，20(3):395-399.

［11］紀(jì)科健 (Ji Kejian).單端反激開關(guān)電源遠場電磁輻射模型與仿真研究 (Study on radiation model and simulation of a flyback SMPS)［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué) (Harbin:Harbin Institute of Technology)，2010.