潘亞培，吳明贊，李 竹

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210094)

開關(guān)電源具有功耗小、效率高、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，EMI 信號既占有一定的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會污染電磁環(huán)境，對通信設(shè)備和周邊電子儀器造成干擾［1］。因此對高頻開關(guān)電源PCB 進(jìn)行合理布局布線并提高其電磁兼容性尤為重要。

1 高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)介紹

本文設(shè)計(jì)的高頻開關(guān)電源總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括高頻開關(guān)電源主電路和數(shù)字控制電路兩部分。主電路由輸入EMI 濾波器、有源功率因數(shù)校正電路以及DC/DC 變換器構(gòu)成。數(shù)字控制電路以DSP 芯片為核心，完成對輸出電壓的采樣，同時(shí)根據(jù)輸出電壓大小改變輸出脈沖信號占空比，從而使輸出電壓穩(wěn)定。

圖1 高頻開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖

2 高頻開關(guān)電源PCB 電磁兼容設(shè)計(jì)分析

2.1 高頻開關(guān)電源PCB 電磁兼容分析

與數(shù)字電路相比，開關(guān)器件功率大，但頻率不太高，所以開關(guān)電源EMI 呈現(xiàn)出鮮明的特點(diǎn):一是開關(guān)電源EMI 干擾源主要集中在功率開關(guān)器件、二極管以及與之相連的散熱器和高頻變壓器上，分布較為清楚。二是高頻開關(guān)電源工作在開關(guān)狀態(tài)，電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大。

在開關(guān)電源中，有效的輻射源可以分為電場源和磁場源［2］。電場源是電路中具有很高的du/dt 的導(dǎo)體，包括與功率開關(guān)管漏極相連的導(dǎo)體、高頻變壓器的原副邊繞組以及與之相連的導(dǎo)體、電感器的高du/dt 側(cè);磁場源是由高di/dt 導(dǎo)體構(gòu)成的回路，包括電感器和變壓器繞組的漏磁、電路中高頻半導(dǎo)體器件構(gòu)成的高頻電流回路、功率變換器的引線電纜。

2.2 高頻開關(guān)電源PCB 布局布線的原則

在高頻開關(guān)電源中，由于印制板上既有小信號控制線，又有高壓電源母線，同時(shí)還有一些高頻功率開關(guān)器件、磁性元件，如何在印制板有限的空間內(nèi)合理地安排元器件位置及走線，將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性能和電路工作的可靠性。在進(jìn)行元器件的布局布線時(shí)，應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則［3］:一是根據(jù)印制板的安裝方式，將相互關(guān)聯(lián)的元器件擺放在一起以避免印制線過長所帶來的干擾，把易發(fā)熱的元器件如穩(wěn)壓器、功率開關(guān)器件、變壓器等安裝在印制板的上方部位，以利于散熱，熱敏元件應(yīng)該遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。二要盡量加粗電源線、接地線寬度，減小環(huán)路阻抗，同時(shí)使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞方向一致。此外控制回路與輸出回路應(yīng)分開，采用單點(diǎn)接地方式［4］。

在Protel DXP 中完成元器件布局以后，首先使用自動布線功能對高頻開關(guān)電源PCB 進(jìn)行布線，然后根據(jù)上述開關(guān)電源布局布線規(guī)則進(jìn)行布線，得到的PCB 導(dǎo)入Ansoft Designer 后生成的仿真文件分別如圖2和圖3所示。

圖2 自動布線PCB 仿真文件

圖3 按照電磁兼容規(guī)則布線后仿真文件

3 高頻開關(guān)電源PCB 電磁兼容仿真分析

3.1 Ansoft Designer 軟件簡介

有限元法是一種常用的數(shù)值方法，并有相應(yīng)的電磁軟件問世，其中Ansoft Designer 是第一個(gè)將電路系統(tǒng)、PCB和電磁場仿真工具無縫地集成到同一個(gè)環(huán)境的設(shè)計(jì)工具，是Ansoft 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案的重要組成部分，也是非常優(yōu)秀的電磁分析軟件［5］。其獨(dú)有的“按需求解”技術(shù)可以使用戶根據(jù)需要選擇求解器，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)過程的完全控制。Ansoft Designer 實(shí)現(xiàn)了“所見即所得”的自動化版圖功能，PCB 與原理圖自動同步，大大提高了PCB 設(shè)計(jì)效率，同時(shí)還能方便地與其他設(shè)計(jì)軟件集成。

3.2 自動布線仿真分析

由于這篇文章主要關(guān)注的是高頻開關(guān)電源在高頻段時(shí)的輻射干擾，而開關(guān)電源的諧波頻段在低頻段(0.15 MHz～30 MHz)時(shí)表現(xiàn)為傳導(dǎo)干擾，只有在高頻段(30 MHz～1 GHz)時(shí)才表現(xiàn)為輻射干擾。在GB9254—2008 標(biāo)準(zhǔn)中，對于輻射干擾的測試也要求在30 MHz～1 GHz 范圍內(nèi)［6］。所以仿真頻率在200 MHz～1 GHz 之間選取，符合輻射干擾的測量范圍。

新建一個(gè)板級Planar EM 工程，為了便于觀測，選擇200 MHz、600 MHz和1 GHz 三個(gè)頻率點(diǎn)，仿真結(jié)果分別如圖4～圖12所示。

圖4 200 MHz 電場分布圖

圖5 200 MHz 磁場分布圖

圖6 200 MHz 表面電流分布圖

圖7 600 MHz 電場分布圖

圖8 600 MHz 磁場分布圖

圖9 600 MHz 表面電流分布圖

圖10 1 GHz 電場分布圖

圖11 1 GHz 磁場分布圖

圖12 1 GHz 表面電流分布圖

通過對以上3個(gè)頻點(diǎn)的電流圖和近場E、H 圖進(jìn)行分析可以知道，對同一頻點(diǎn)，近場E 場和近場H 場分布圖相差很大。一方面體現(xiàn)在近場的電場分布與磁場分布不一致，另一方面體現(xiàn)在兩個(gè)場對應(yīng)數(shù)值上相差很大;在不同的頻率點(diǎn)，近場E 場和近場H 場分布發(fā)生變化。

3.3 按照電磁兼容規(guī)則布線后仿真分析

為了與自動布線仿真進(jìn)行比較，仿真參數(shù)的設(shè)置與自動布線時(shí)相同，在Ansoft Designer 中重新運(yùn)行仿真分析，結(jié)果分別如圖13～圖21所示。

圖13 200 MHz 電場分布圖

圖14 200 MHz 磁場分布圖

圖15 200 MHz 表面電流分布圖

圖16 600 MHz 電場分布圖

圖17 600 MHz 磁場分布圖

圖18 600 MHz 表面電流分布圖

圖19 1 GHz 電場分布圖

圖20 1 GHz 磁場分布圖

圖21 1 GHz 表面電流分布圖

從仿真結(jié)果可以看出，按照電磁兼容規(guī)則優(yōu)化設(shè)計(jì)后，PCB 板近場輻射干擾強(qiáng)度有所降低，近場E 場、H場在同一頻點(diǎn)的分布范圍均比自動布線時(shí)縮小且最大值降低。

3.4 兩種布線方式的比較分析

根據(jù)兩種布線方式的仿真分析結(jié)果可知，自動布線時(shí)由于未考慮電磁兼容的設(shè)計(jì)規(guī)則，生成的高頻開關(guān)電源PCB 近場電磁輻射的范圍和數(shù)值均較大，電磁干擾較強(qiáng)。而根據(jù)電磁兼容的相關(guān)規(guī)則對PCB 進(jìn)行手動布線和優(yōu)化后，近場輻射的范圍和數(shù)值均有所減小，提高了PCB 板的電磁兼容性。具體的仿真比較如表1所示。

表1 自動布線和手動布線仿真結(jié)果比較

4 結(jié)束語

這篇文章提出了基于有限元法的PCB 電磁兼容仿真分析方法，利用Ansoft 軟件對高頻開關(guān)電源的電磁兼容性進(jìn)行仿真和分析。分別對自動布線和按照電磁兼容規(guī)則布線的PCB 進(jìn)行仿真，通過仿真結(jié)果可以看出，利用自動布線功能生成的PCB 電磁干擾比較嚴(yán)重，而按照電磁兼容的規(guī)則布線后，PCB板的電磁兼容性得到了很大的改進(jìn)，說明按照電磁兼容規(guī)則進(jìn)行布線的PCB 電磁兼容性要優(yōu)于自動布線的PCB。

由于論文篇幅有限，只是選取了3個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行仿真。此外高頻開關(guān)電源PCB 電磁兼容的分析涉及的知識面較多，且需要長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，這次分析還不夠全面，有待于進(jìn)一步深入分析。

［1］吳子云，徐振.開關(guān)電源PCB 電磁兼容性的建模分析［J］.機(jī)械與電氣，2009(10):56－57.

［2］唐駿，陳麗安，孫園.智能電器控制板EMC 仿真與優(yōu)化［J］.電氣技術(shù)，2010(12):41－43.

［3］Zhou Pingqiang，Karthikk Sridharan，Sachin S Sapatnekar.Optimizing Decoupling in 3D Circuits for Power Grid Integrity［J］.IEEE Design and Test of Computers，2009，26(5):15－25.

［4］郭虎崗，劉俊，馬喜宏.混合集成電路的電磁兼容設(shè)計(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，308－310.

［5］趙博，張洪亮.Ansoft 12 在工程電磁場中的應(yīng)用［M］.中國水利水電出版社，2010.

［6］錢振宇，史建華.開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)、測試和典型案例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:2－5.