開關(guān)電源差模電流輻射干擾的模擬與分析

l、引言：

開關(guān)電源的電磁干擾問題主要立括傳導(dǎo)發(fā)射(conducted emission)干擾和輻射發(fā)時(shí)(radiated emission)干擾，電磁兼容中所謂的發(fā)射，是指從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象，與一般通信領(lǐng)域中人為的向外發(fā)射電磁波不同，開關(guān)電源中的發(fā)射常常是無意的，如果不加以控制，就會(huì)對(duì)周圍的電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。隨著開關(guān)電源的小型化、高頻和高功率設(shè)計(jì)，閉合印制線回路引起的輻射干擾(差模干擾)己成為開關(guān)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(guī)律對(duì)減小開關(guān)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(guān)電源利用半導(dǎo)體器件的開和關(guān)工作，并以開和關(guān)的時(shí)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(guān)頻率工作，開關(guān)電源內(nèi)的dv／dt、di／dt很大，產(chǎn)生嚴(yán)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(guān)電源的簡圖和產(chǎn)生噪聲的回路，含有大量高次諧波的噪聲通過閉臺(tái)回路向空間輻射電磁能量，即差模電流的輻對(duì)干擾。通常的閉合環(huán)形回路的形狀都是不規(guī)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(huán)路，在回路的兩端分別接有電壓源和阻抗相等的源內(nèi)阻、負(fù)載，當(dāng)電壓信號(hào)的頻率較高時(shí)，這種結(jié)構(gòu)與方環(huán)形天線是非常相似的，成為一種嚴(yán)重的輻射源。

3、數(shù)值模擬：

對(duì)于建立好的模型．可以通過電磁場的數(shù)值模擬軟件來對(duì)其輻射特性進(jìn)行分析。在這里我們使用Ansoft的HFSS(High Frequency Structure Simulator)來進(jìn)行模擬。首先來研究這種閉合印制線回路的面積發(fā)生變化時(shí)其輻射特性如何發(fā)生變化。當(dāng)差模輻射用小環(huán)天線產(chǎn)生的輻射來模擬時(shí)，在距離輻射回路為的遠(yuǎn)場的電場強(qiáng)度為E=131．6 ×106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）為回路中電流信號(hào)的頻率，S(m2)為回路面積，1(A)為電流強(qiáng)度，θ（0）為測量天線與輻射平面的夾角。我們根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，取正方形閉合回路的邊長分別為3cm、4cm、5cm、6cm和7cm進(jìn)行模擬，信號(hào)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(yuǎn)場三維方向圖(由于閉合回路的邊長變化時(shí)其遠(yuǎn)場方向圖是非常相似的，此處只給出邊長為5cm時(shí)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(shí)，遠(yuǎn)區(qū)輻射場的電場強(qiáng)度與回路面積呈線性變化關(guān)系(本文中的電場強(qiáng)度均指在閉合印制線回路最大輻射方向上的電場強(qiáng)度)，這與式(1)是完全符合的。