考慮近場磁耦合干擾的傳導EMI仿真分析

胡欽俊，陳慶彬，陳為

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116)

1 引言

開關電源與線性穩壓電源相比，具有體積小、重量輕、效率高、功耗少，穩壓范圍寬等優點，已廣泛用于電力電子系統等領域［1－4］。但是，因其集成度高，功率密度大，高頻化等，必將引起嚴重的電磁干擾，造成傳導EMI的測試超標［5－8］。傳統 EMI仿真多是考慮器件的自身的模型建立的準確性，而沒有考慮器件間的電磁耦合對其傳導EMI的影響。本文以一個DC－DC開關電源為研究對象，利用電容、電感、變壓器、MOSFET、功率二極管的高頻模型組建了傳統仿真電路，使用HFSS軟件來仿真各個磁性元件間的磁場耦合關系，并利用Saber軟件來仿真考慮了磁場耦合后的系統傳導EMI仿真電路，為開關電源的電磁兼容設計提供了參考。

2 開關電源噪聲回路分析

該開關電源主電路為DC－DC電路，輸入為48V，輸出為28V、9A。前級為BUCK降壓電路，后級為方波逆變整流電路，主電路如圖1所示。對于開關電源，根據傳導耦合方式的不同，可以將電磁干擾分為差模和共模兩種，一般認為差模噪聲是由于快速的電流變化率(di/dt)作用在電路的L線和N線之間等大方向的噪聲;共模噪聲是由于快速的電壓變化率(du/dt)作用在對地寄生電容上形成的噪聲。圖2為電路的差模噪聲流通路徑，可以看到差模噪聲主要是由電感上的電流紋波在L線和N線上流動造成，共模噪聲則主要由開關管附近的電位跳變點經過對地分布電容傳輸到地線上，在地線上產生共模噪聲電流并流進LISN，如圖3。

圖1 主電路圖

圖2 差模噪聲回路

圖3 共模噪聲回路

3 變壓器與濾波器共模電感間的磁耦合分析

雖然近場干擾與傳導干擾的耦合機理不同，但實際上近場干擾也會影響電路的傳導EMI。在一個開關電源中，變壓器與電容器、PCB環路之間存在磁場耦合:開關管與PCB導線存在電場耦合，主電路與EMI濾波器之間存在電場和磁場耦合;濾波器元件之間存在近場耦合;電路各元器件與外接電纜同樣存在近場耦合。近場耦合可在元器件、PCB環路或外接電纜上產生感應電壓，此感應電壓產生的噪聲電流i。一方面通過傳導的方式通過導線直接耦合到受擾設備，另一方面通過電纜向外輻射電磁波。由于這款通信電源的主變壓器與EMI濾波器的共模電感間存在較為強烈的近場磁場耦合，下面就以變壓器與EMI濾波器之間的近場耦合為例說明這種情況。

對于器件間近場耦合參數的提取有仿真和實測兩種方法，下面通過提取變壓器與共模電感CM1間的近場耦合參數。

仿真法是通過有限元仿真軟件HFSS通過建立變壓器與共模電感的模型、再通過仿真得到器件間的耦合參數。圖4是HFSS中建立的變壓器與共模電感的模型，其中變壓器原邊的匝數是3匝，副邊是5匝，兩個共模電感的匝數均為7匝。用HFSS軟件仿真得到的結果是S、Y、Z參數，這里可以根據仿真得到的Z參數來計算得到兩器件間的互感，這是因為如圖5所示，對于兩個存在近場耦合的器件，可以把它們看作是一個二端口網絡，這個二端口網絡滿足公式(1)、(2)，其中Z21=Z12=U1/I2=jwM，因此 M=Z12/w，其中 w=2πf。將仿真得到的變壓器原邊、副邊與共模電感CM1之間的Z參數帶入公式(3)中得到變壓器與共模電感CM1間的耦合互感為0.154nH。

圖4 變壓器與共模電感間近場耦合參數仿真圖

圖5 HFSS仿真軟件中測量互感M的模型圖

圖6 Z參數模型圖

實測法則是利用網絡分析儀來測量兩器件間的近場耦合情況。將其中的一個器件作為干擾體接網絡分析儀的TG(Tracking Generator)輸出口，而將另一器件作為被干擾體接RF輸入口。通過TG輸出口的掃頻，得到不同頻率下被干擾體的響應情況，從得到干擾體與被干擾體的近場耦合情況。

圖7為一個變壓器與共模電感差模分量之間互參數提取的測試板，因為測量的是變壓器與共模電感的差模分量間的互感，因此將共模電感的一端如圖8所示短路進行短路，并且在變壓器的副邊接一個51Ω的電阻來減小線路阻抗帶來的測量誤差。隨后將變壓器的原邊接EMI接收機的TG口，將共模電感的另一個線圈接RF口，如圖8所示，這樣就可以通過測量其插入損耗來得到變壓器與共模電感一個線圈之間的互感大小。

圖7 插入損耗法實驗圖

圖8 測試原理圖

圖9 實測插入損耗

通過Mathcad軟件可以得到在圖8所示的電路圖中，互感M與插入損耗IL之間的關系:

圖10 Mathcad擬合得到的插入損耗

其中ILtest為在特定頻率下的插入損耗值，帶入實測的特定頻率下的插入損耗的值可以得到互感M為0.148nH。將計算得到的互感的大小帶入公式(5)中可以得到一條插入損耗IL隨頻率變化的曲線，如圖10所示，可以看到mathcad計算出來的插入損耗與實測的插入損耗基本重合。

通過HFSS仿真得到變壓器與共模電感CM1的互感分別為0.154nH，實際測量得到的互感為0.148nH，誤差為3.89%;通過上述方法得到變壓器與共模電感CM2仿真得到的互感為0.355nH，實際測量得到的互感為0.347nH，誤差為2.3%。

4 開關電源系統級傳導EMI仿真分析

對于傳導EMI的仿真，首先要建立各個器件的高頻模型。如電感、電容、共模電感、變壓器、開關管等高頻模型，這在很多文獻中都有介紹，這里就不在贅述。圖11是用Saber建立的該開關電源的傳導EMI仿真圖，首先將不考慮變壓器與EMI EMI濾波器間近場耦合參數的Saber仿真電路進行仿真，通過將仿真得到的LISN上50Ω阻抗上的電壓進行FFT分解，得到其傳導EMI仿真總噪聲圖，如圖12。

再將變壓器與EMI濾波器間近場耦合參數放入Saber仿真電路中進行仿真并用FFT分解LISN上50歐姆阻抗上的電壓，得到其考慮變壓器與EMI濾波器間近場耦合參數后傳導EMI仿真總噪聲圖，如圖13。通過圖12、13的對比可以看到，兩者在150kHz～10MHz內都相差甚遠。

圖14為實際測量得到的EMI總噪聲圖。通過圖12～14的對比可以看到，考慮近場耦合參數后的EMI噪聲仿真圖更接近于實測值，且兩者在150kHz～10MHz范圍內的誤差在4dB范圍內。

圖11 Saber仿真電路圖

圖12 不考慮近場耦合參數的總噪聲仿真圖

圖13 考慮近場耦合參數的總噪聲仿真圖

5 結論

本文對開關電源的傳導EMI進行了建模和預測分析，并以變壓器與共模電感間的近場耦合為例子，來介紹如何通過仿真和實際測量的方法得到器件間近場耦合參數并驗證了仿真方法的準確性。器件的擺放，PCB走線等都會對器件間的近場耦合產生影響，而近場耦合對傳導EMI有著不可忽視的影響，因此在對開關電源的傳導EMI進行預測時，不能只考慮器件高頻模型的準確建立，還要考慮器件間的近場耦合參數。

圖14 開關電源總噪聲實測圖

［1］Peipei Meng，Junming Zhang，Henglin Chen，Zhaoming Qian，Yuwen Shen，“Characterizing Noise Source and Coupling Path in Flyback Converter for Common-mode Noise Prediction，”in IEEE 2011 Applied Power Electronics Conference and Exposition，2011，1704－1709.

［2］李龍濤.開關電源傳導 EMI建模和模型有效性評估［D］.哈爾濱工業大學，2012.

［3］王拓.開關電源傳導EMI仿真分析［J］.通信電源技術，2008，25(5):15－18.

［4］張煜，陳慶彬，陳為，等.開關電源傳導電磁干擾仿真研究［C］//中國電源學會第二十屆學術年會論文集.2013:1205－1209.

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［6］楊光.高頻開關電源的EMI建模與仿真研究［D］.北京郵電大學，2008.

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