开关电源传导EMI预测方法研究

　　有很多对PCB结构进行寄生参数抽取软件，如InCa,SIwave,Q3D 等，分别用不同的方法对PCB的寄生参数进行计算和提取，如部分元等效电路方法、有限元分析方法、有限元分析方法和矩量法结合的方法等。其中InCa软件只能计算分布电感，不适合计算分布电容，不宜处理共模干扰的仿真分析；SIwave软件提取出来的是电路的Ｓ参数，不能清晰地反映PCB中的耦合情况及其对开关电源EMI的影响；Q3D 软件利用FEA 和MOM结合的方法求解电磁场，可以得到PEEC部分元等效电路，也可以得到PCB上各导体的互感互容，可以清晰地分析各种情况下PCB结构对开关电源EMI的影响。

　　J.Ekman提出了基于寄生参数矩阵的等效电路的建立方法，即把所有互感、互容等效成受控的电压源，与自感、自容连接（相当于把所有互感、互容对电路的影响等效到受控电压源上），从而建立等效电路模型。图4所示为任意两个节点间的等效电路模型。

图4　任意两节点间的等效电路模型

　　图4中：

　　式中：Lpmn为m和n两导线间的互感。

　　虽然这样可以提高仿真的准确性，但是加大了分析的计算量，可以通过忽略一些对结果影响不是很大的互感、互容，减少计算量。

　　散热片与开关管之间会有电容效应，噪声可以通过该效应在电路和地之间进行传播，文献【9】对散热片在开关电源传导和辐射干扰中的影响作了详细的阐述。

　　还有其他的在空间通过电感或电容耦合传到接收器的噪声，不可以忽略。

　　模型建立之后，就可以使用仿真软件对开关电源EMI进行仿真，得到开关电源传导EMI的频谱波形，通过分析波形可以定位开关电源EMI的问题所在，进而通过解决该问题而降低EMI。

　　5　降低EMI的设计方法及策略

　　降低开关电源EMI，需要从噪声源和传播路径入手。首先，对于噪声源，可以通过加吸收电路，减小di/dt和dv/dt来降低其EMI水平，但是这样一来，开关电源的效率将会受到影响，需要对这两者进行一定的取舍。

　　然后是对传播路径进行改进。改进的目的是要使传播路径对于干扰的阻抗增大，阻断其向接收器的传播，而对于电网提供的功率，阻抗要小，从而增加开关电源的工作效率。

　　选取元件时需要尽量选取寄生参数影响小的元件，比如电容的ESR和ESL要尽量小，电感的寄生电容要小等。在PCB以及散热片的位置等设计过程中，也要尽可能增大对干扰传播路径的阻抗，使噪声尽可能少的通过PCB路径传导到接收器。

　　如果以上所有降低EMI的措施都完成了还没有达到EMC的标准，就可以根据前面仿真分析得到的差模和共模干扰的波形对滤波器进行设计。在设计滤波器的时候，也同样要注意元件的布局，还有PCB寄生参数对滤波器阻抗的影响，其本质也是增大对干扰的阻抗，使干扰无法通过传播路径。开关电源设计流程如图5所示。

图5　开关电源设计流程

　　6　结论

　　综上所述，目前对于开关电源传导干扰的预测方法有时域方法和频域方法两种，由于时域方法需要使用很小的计算步长，需要花费很长的计算时间，容易出现仿真结果不收敛的问题。同时，时域仿真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。而频域仿真物理意义清晰，更容易判断各参数对EMI的影响，能够为降低EMI提供有力依据，关键问题是建立合理的干扰源和传播途径的频域模型。

　　对于PCB寄生参数的提取，有很多软件，这些软件适合的领域不尽相同，可以根据任务需求进行选择。

　　对于高频等效电路模型，可以通过电路分析的方法忽略一些对EMI影响很小的互感、互容等因素，既减少计算量，又不会降低过多的计算精度。

　　降低EMI的主要方法就是使传播路径对电磁干扰的阻抗增大，使电磁干扰尽可能少的通过传播路径，对于滤波器设计可以分别根据DM 噪声和CM 噪声的仿真结果进行设计，并且需要特别注意滤波器的元件布局，好的布局能够更好地抑制噪声的传播。