开关电源pcb电路电磁辐射分析

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1、第一章引言1．1课题背景由于具有体积小、重量轻、效率高等优点，开关电源已经广泛应用于计算机及其外围设备、通信设备、控制装置等电子设备中。随着功率半导体器件的发展和开关技术的进步，开关电源的开关频率与功率密度变得越来越高。然而，开关电源开关频率不断提高和功率密度不断增大使开关电源内部的电磁环境日趋复杂，功率开关器件在高频下的通、断过程中不可避免地要产生强大的电磁干扰，对电源本身及周围电子设备的正常工作造成了日益严重的威胁。从1996年1月1日起欧洲电磁兼容标准强制实施以来，电力电子系统的电磁兼容问题更成为世人关注的热点课题，国际上越来越多的大学及科研机构都正在致力于这一

2、方向的研究。我国国家出入境检验检疫局和对外贸易经济合作部已经规定，自1999年1月1日起对包括个人计算机、开关电源等在内的六大类电子产品实施EMC强制检测，并规定自2000年1月1日起，上述六类产品必须获得相应的许可证方可进入市场与销售。因而，无论从国际科研动态还是国际商品贸易来看，加强开关电源电磁兼容特性的研究都不仅是必要的，更是十分迫切的。开关电源的电磁兼容设计很大程度上依赖设计人员的实践工程经验和对电磁干扰问题的理解。传统的办法是在先进行产品，然后根据研制成的设备和系统在测试中出现的电磁干扰问题，运用各种抑制干扰的技术去逐个解决。如果在产品设计初期掌握系统的电磁

3、干扰三要素：干扰源、耦合通道和敏感体，能够针对具体的三要素采取措施，这样就能缩短产品开发周期和减少花费在实现产品电磁兼容性上的资金。对开关电源近场干扰进行研究，探索其建模，研究印刷线路板EMI计算机辅助分析及优化设计规律，可用于指导产品开发初期的EMC设计，有助于真正实现在产品设计的初期就能进行EMC设计，为系统地解决电力电子装置中的电磁干扰问题提供了一种新的思路和理论基础。电子科技大学硕士学位论文1．2国内外研究现状近年来，为更精确地研究电力电子系统的干扰特性，建立仿真模型成为一个很有前景的发展方向，因为～旦建立了精确的系统仿真模型，就可以在无需多次建立样机的情况下

4、进行多次模拟实验，直到最终实现预测目标。1．2．1干扰源及干扰特性研究在探寻干扰源的过程中，人们通过大量的实验分析与研究，不断总结新的经验。传导和辐射是电力电子系统中干扰传播的重要途径，经过研究人们从不同的系统中发现了一些干扰源。例如，半导体开关特性及决定其电流特征的物理特性是产生差模传导干扰的主要因素⋯。又如，西门子公司的Klotz等人研究了5．IOKVA的IGBT变换器在不同工作电压、工作电流、开关频率、模块封装、门电路、温度、接地状况下以及附加元件情况下的共模与差模传导干扰源，结论是：主要的差模干扰源是续流二极管的反向恢复电流但1。与传导干扰相比，电力电子系统的

5、辐射干扰往往与电路中的各种杂散参数联系更加紧密，由于不同系统的杂散参数多种多样，因而其辐射特性更为复杂。目前，辐射干扰的研究还处于初级阶段曲¨引。为确定电力电子开关变换器的辐射模型，罗马大学的Antonini和Cristina教授与Orlandi教授对开关频率分别为75kHz和150kHz的开关电源中功率变换部分建立了偶极子辐射模型H1。影响电力电子系统近场特性的主要是功率变换部分的主回路。Cristina等人就变换器部分工作在不同负载情况下的辐射模式变化、近场空间分布和辐射特性进行了研究。并得出在不同负载条件下，开关电源可能表现出电偶极子或磁偶极子的特性佑1。这对于

6、选择和设计适合的屏蔽方案是十分重要的。法国Grenohle实验室的Youssef和Roudet等人利用MOSFET作为开关元件建立了简单的降压变换器模型砸1，该模型开关频率为50kHz，占空比约为50％。他们以电路近似为细线结构为前提，并假定电路中各部分电流相同，基于开关操作过程2第一章引言中的时域电流波形计算了近场分布。同时利用镜像法研究了接地导电平面处于干扰源电路下方时电磁辐射的变化，并得出在导电地平面的影响下，电磁辐射减少的结论。文献[7】对开关电源的关键器件之一开关变压器工作在1MHz条件下进行电磁兼容仿真分析，认为对外部产生影响的主要是磁场。由于噪声电流脱离

7、开关而造成产品的传导发射，寄生电容提供了大量的电流通路。开关元器件与散热片之间的电容将开关元件处的噪声耦合到散热片中，从散热片辐射或沿导线传导阳3。1．2．2开关电源EMI建模对电子电路辐射模型的研究工作目前还处在初级阶段，仅有为数不多的有关电磁辐射干扰的建模、仿真等方面的工作发表在一些相应的期刊和国际会议上睁1。文献【lO]把迹线周围的混合介质用自由空间近似，推导了双环路电流电磁辐射场时域解。文献【11]把开关电源功率变换部分到负载间的共面带状线等效成分布参数电路，并用软件中的元件模型组成开关电源电路在PSPICE中仿真得到负载电流，以该电流作为辐