開關電源差模電流輻射干擾的模擬與分析

l、引言：

開關電源的電磁干擾問題主要立括傳導發射(conducted emission)干擾和輻射發時(radiated emission)干擾，電磁兼容中所謂的發射，是指從源向外發出電磁能的現象，與一般通信領域中人為的向外發射電磁波不同，開關電源中的發射常常是無意的，如果不加以控制，就會對周圍的電子設備產生嚴重的干擾。隨著開關電源的小型化、高頻和高功率設計，閉合印制線回路引起的輻射干擾(差模干擾)己成為開關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律對減小開關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：

開關電源利用半導體器件的開和關工作，并以開和關的時間比來控制輸出電壓的高低，由于其通常工作在20KHz以上的開關頻率工作，開關電源內的dv／dt、di／dt很大，產生嚴重的浪涌電壓、浪涌電流和其它各種噪聲。圖1是典型的開關電源的簡圖和產生噪聲的回路，含有大量高次諧波的噪聲通過閉臺回路向空間輻射電磁能量，即差模電流的輻對干擾。通常的閉合環形回路的形狀都是不規則的，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路，在回路的兩端分別接有電壓源和阻抗相等的源內阻、負載，當電壓信號的頻率較高時，這種結構與方環形天線是非常相似的，成為一種嚴重的輻射源。

3、數值模擬：

對于建立好的模型．可以通過電磁場的數值模擬軟件來對其輻射特性進行分析。在這里我們使用Ansoft的HFSS(High Frequency Structure Simulator)來進行模擬。首先來研究這種閉合印制線回路的面積發生變化時其輻射特性如何發生變化。當差模輻射用小環天線產生的輻射來模擬時，在距離輻射回路為的遠場的電場強度為E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）為回路中電流信號的頻率，S(m2)為回路面積，1(A)為電流強度，θ（0）為測量天線與輻射平面的夾角。我們根據圖1所示的結構，取正方形閉合回路的邊長分別為3cm、4cm、5cm、6cm和7cm進行模擬，信號頻率為500MHz。圖3(a)和圖4分別為模擬得到的差模電流輻射的遠場三維方向圖(由于閉合回路的邊長變化時其遠場方向圖是非常相似的，此處只給出邊長為5cm時的方向圖）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，遠區輻射場的電場強度與回路面積呈線性變化關系(本文中的電場強度均指在閉合印制線回路最大輻射方向上的電場強度)，這與式(1)是完全符合的。