開關電源傳導EMI預測探討

　　除了元器件選取、電路及其結構設計，PCB的布局、布線設計、線路板加工對電磁兼容會造成很大影響，是一個非常重要的設計環節。由于開關電源的PCB布線基本上都是依據經驗手工布置，有很大的隨意性，這就增加了PCB分布參數提取的難度。PCB的寄生參數會造成開關電源噪聲傳播途徑的阻抗變化，影響控制器對開關電源輸出電壓電流的控制作用。PCB的布局不合理還會形成開關電源向外輻射電磁干擾的途徑，同時也會通過該途徑吸收外界電磁干擾，從而降低開關電源的電磁干擾抗擾度。所以PCB的布局布線是開關電源EMC設計中極為重要的環節。

　　對于傳導干擾，寄生參數的提取精確度是通過仿真有效預測EMI水平的關鍵。盡管對于結構簡單的元件來說，寄生參數是很容易計算的，但是對于復雜結構中的元件來說，并不是那么容易就能得到寄生參數，例如多層板和直流母線的寄生參數。

　　為了建立開關電源PCB的高頻模型，需要對PCB的結構寄生參數進行抽取。提取PCB寄生參數的方法有很多，其中TDR(時域反射)方法可以在不知道實際幾何形狀的情況下對寄生電感和寄生電容進行提取，但是TDR(時域反射)方法需要時域反射儀，用于樣機建成后，這就使開發成本大大增加，而且TDR方法不能尋找到復雜結構中的耦合效應;然而FEA(有限元分析)方法則可以克服這一缺點，用于樣機建成前。利用FEA工具可以準確地得到PCB的寄生參數，并能考慮復雜幾何結構的耦合情況。

　　有很多對PCB結構進行寄生參數抽取軟件，如InCa,SIwave,Q3D 等，分別用不同的方法對PCB的寄生參數進行計算和提取，如部分元等效電路方法、有限元分析方法、有限元分析方法和矩量法結合的方法等。其中InCa軟件只能計算分布電感，不適合計算分布電容，不宜處理共模干擾的仿真分析;SIwave軟件提取出來的是電路的S參數，不能清晰地反映PCB中的耦合情況及其對開關電源EMI的影響;Q3D 軟件利用FEA 和MOM結合的方法求解電磁場，可以得到PEEC部分元等效電路，也可以得到PCB上各導體的互感互容，可以清晰地分析各種情況下PCB結構對開關電源EMI的影響。

　　J.Ekman提出了基于寄生參數矩陣的等效電路的建立方法，即把所有互感、互容等效成受控的電壓源，與自感、自容連接(相當于把所有互感、互容對電路的影響等效到受控電壓源上)，從而建立等效電路模型。圖4所示為任意兩個節點間的等效電路模型。

　　圖4　任意兩節點間的等效電路模型

　　圖4中：

　　式中：Lpmn為m和n兩導線間的互感。

　　雖然這樣可以提高仿真的準確性，但是加大了分析的計算量，可以通過忽略一些對結果影響不是很大的互感、互容，減少計算量。

　　散熱片與開關管之間會有電容效應，噪聲可以通過該效應在電路和地之間進行傳播，文獻【9】對散熱片在開關電源傳導和輻射干擾中的影響作了詳細的闡述。

　　還有其他的在空間通過電感或電容耦合傳到接收器的噪聲，不可以忽略。

　　模型建立之后，就可以使用仿真軟件對開關電源EMI進行仿真，得到開關電源傳導EMI的頻譜波形，通過分析波形可以定位開關電源EMI的問題所在，進而通過解決該問題而降低EMI。