原创开关电源电磁兼容性分析——近场建模和实验验证

 2008-5-29 11:46  2466 5 5 分类: 测试测量

开关电源电磁兼容性分析
                           ——近场建模和实验验证

    S . Cristina , Senior Member IEEE Dept . of Electrical Engineering Universityof Rome
“La Sapienza” Via Eudossiana , 18 – oo184 – Rome ITALY
    F . Antonini and A . Orlandi , Member IEEE Dept . of Electrical EngineeringUniversity
of L’Aquila 67040 Poggio di Roio , L’Aquila  ITALY
摘要：
    提出的开关电源电磁兼容性分析表明当开关电源的负载变化时，辐射模式、近场空间分布和辐射特性是不同的。根据负载的不同，开关电源显示出磁偶极子或者电偶极子特性。通过精确预测模型计算出的电流、场和实际测量结果进行了比较。
1. 前言
    自从二十世纪六十年代末期开关电源出现之后，它们的应用已经日渐广泛，以至今天大量的电子设备都使用这种类型的开关电源。因为这类电源存在传导和辐射发射问题，所以关于它的电磁干扰一直受到密切的关注。文献和论文[附录1-3]的第一个方面在许多最近的出版物中都已广泛覆盖，第二个方面是近几年已经有许多研究者将它们的注意力从设备转到了设备的电磁辐射问题上。外部辐射主要是由于流过开关电源电缆线的共模电流引起的[4，5]。除了这篇论文和依据的标准规范之外，如果开关电源的周围有敏感电路诸如电子控制系统，它将是一个严重的内部电磁干扰源。根据IEC草案 22G-WG4-11[6]，开关电源被分为两部分：一个是电源电流流过的“转换部分”，一个是专门对设备进行电子控制的“控制部分”。为了评估开关电源电路附近闭合场的水平，作者已经建立了一种准确的

    电磁近场预算模型：为了排除由于偶极子方程引起静电荷分布伪突起带来的影响，需要对沿回路路径辐射方程的积分进行专门处理。基于此模型，本文提出了一种电磁近场的电磁兼容分析方法，它根据负载辐射的近场显示电场（高波阻抗）或者磁场（低波阻抗）特性，分析转换部分在不同工作负载情况下的辐射近电磁场。这种电场或磁场的属性和场的分布情况对于选择和设计更合适的屏蔽方

    案是非常重要的。对建立实验机构下的测量结果和根据电磁场辐射的频谱、辐射方式和场的分布情况计算出的结果进行了比较。

2. 开关电源模型和实验机构
    在开关电源中主要的内部辐射电磁干扰源是转换部分包含开关半导体元件（在此例中是MOSFET）、直流电源、步进电感器、滤波电容和负载的主要环路。按照典型布局，一个简单清晰布置的开关电源如下：它的等效电路和空间布线如图1。 MOSFET（IRF440）由等效门电压为Veq=11.5V的电子控制系统电路驱动，它的上升和下降时间分别为trise=750ns和tfall=100ns。由直流电压源KEPCO SF3400反馈提供的直流电压VDC=13V。沿着标准电路板画出了传导路径。滤波电容C和负载并联。流过主环路的差模电流可以根据附录[7]里面的模型计算，这里就不在累述。图2显示了负载电阻Rload=500Ω、开关频率f=75kHz、占空比δ=0.5时，在断开滤波电容C的最坏情况下，流过负载的电流计算值和测量值。电流的频谱曲线可以通过快速傅氏变换算法（FFT）变换得到。

3. 近场计算
在附录[7]已经研究并详细讨论了开关电源转换部分辐射的近场计算方法，为了方便读者，本节简单总结一下。开关电源电路的传导部分被认为是许多理想的辐射偶极子，每个偶极子的长度dl认为是足够短，上面流过的电流近似认为是常数。在圆柱坐标系的场表达式变成[8]：

    这里I表示电流，β0表示传播常数，η0表示自由空间的固有阻抗，θ表示方位角。在近场区域所谓的静电项j/β30r3是主要的。它表示在一个独立的偶极子末端计算出来的静电荷场。如果两个偶极子串联且流过同样的电流，在公共末端的静电荷会出现不同的极性，使得它们的静电场抵消。在使用等式（1）静电项j/β30r3是从偶极子中心计算而不是从它的两端（因为在式1中r表示每个偶极子中心和测试点之间的距离）主要当r比较小的时候，由于它们的分布使得总的场不会完全抵消。这会引起非自然增大，导致静电场能过分估计了许多dB值。避免这种错误的方法就是忽略式1中的静电项，直接根据没有抵消的电荷来计算电磁场（例如滤波电容器的引线）。
4．结果和分析
    开关电源的等效辐射空间场如图3所示。

    图9频率f=1MHz时x-z平面电场的空间分布图，其中R=100kΩ
    图3是在x-z平面内与x轴成θ角函数的辐射分布图（RF）。图4和图5分别是在坐标为（0m，0m，0.1m）
    近场区域电场和磁场的计算和测量值比较结果。上面总结的近场辐射处理结果显示了这两组结果之间很好的一致性。在10MHz以下测量和计算值之间的误差小于1.2dB，在10MHz以上最大误差小于4.4dB。电场的辐射分布图是一组阻抗R=0Ω，10kΩ，50kΩ，100kΩ，1MΩ的负载绘制的。这些数值对于普通的开关电源负载情况都在合适的范围内。在不带负载（R=0Ω）的情况下，如果滤波电容是断开的，所有的电流都流向内部传导部分，而没有流向两个“盲区”的垂直分支方向。辐射结构变成了一个电小环，如图6它的辐射分布图有着预想的“8”字形，两个极值点分别在00和1800处，两个零值点分别在900和2700处。不带负载的环路辐射了几乎所有的输入功率，所以在这种负载情况下电场值相对于其它情况是最大的（例如：Eθ)max=116dBμv/m）。当负载增加的时候，这种负载传导环路趋向于开环电路如图3所示。通过环路导体上下之间和垂直分支“盲区”尖端之间所构成电容的无功移动电流与导体内的传导电流相比变得越来越重要了。右边负载环路的传导电流减小，辐射分布图开始主要呈现为左边圆形突出（见图7）。当负载进一步增加到1MΩ时，其响应接近成为一个全方向（在x-z平面），RP像预期的从一个电偶极子的辐射分布。因此，开关电源转换部分的行为对于小负载像是一个磁偶极子，对于大负载则像是一个电偶极子。开关电源辐射出来的空间磁场不管是对于电路布线、还是防止信号沿路径的磁耦合或者有效屏蔽的最优设计都是相当重要的。图8a是在x-z平面、频率为1MHz的Hz磁场空间分布图。由开关电源内部导体电路辐射出的近磁场有些特性是可以预测的，靠近导体顶端的这类元件也具有同样的分布，它的输出同1/r2成比例。当负载增加的时候在电源附近会出现一个主峰值点，同时负载导体部分（当负载增加的时候传导电流自然会变小）的辐射场将变小。图8b是在同样的频率下负载R=100kΩ时磁场沿Hz轴的空间分布图。图9显示辐射电场的位移电流效应它出现在两个对应的非连接垂直导体的中心突起旁。
5．结论
    可以看出开关电源的电磁辐射主要跟负载相关。在限定条件下（短路或无限大负载）开关电源呈现出磁偶极子或者电偶极子特性，在这两者之间电源的转换部分呈现出复合响应特性。开关电源的辐射场的空间分布是受负载影响的，所以解决开关电源负载的明智办法就是彻底减小它的电磁干扰问题。
参考文献：
[1] J . C Fluke , Controlling Conducted Emissions by Design , New York : Van Nostrand
Reinhold , 1991.
[2] R . Scheich , J . Roudet , V . Handel , “EMI Conducted Emission in Differential Mode
Emanating form a SCR : Phenomena and Noise Level Prediction”, in Proceedings of
the IEEE 1993 APEC , San Diego ,USA , 1993.
[3] A . Orlandi , R . Scheich , J . Roudet , “Origin and Propagation of Common Mode
Currents Occurring in a Bridge Rectifier”, in Proceedings of the 15 th International
Telecommunications Energy Conference (Paris , France ), Sept . 27 – 30 ,1993.
[4] A . Orlandi , R . Scheich , “EMC in Power Electronic Devices : Radiated Emissions from
a Silicon Controlled Rectifier”, in Proceedings of  the IEEE Int . Symp . Electromagn .
Compat . Chicago ., USA , Aug . 22 – 27 , 1994.
[5] S . Piedra , J . E . Fernandez , J . Basterrechea , M . F . Catedra , “Computer Tools
for the Analysis of Electromagnetic Compatibility in Sweithed Mode Power Supplies”, in
Proceedings of the Int . Symp . Electromagn . Compat . EMC’94 ROMA , Roma , Italy ,
Sept . 13 – 16 , 1994.
[6] IEC Draft 22G – WG4 – 11 “Electromagnetic Compatibility of Power Drive Systems”,
October 1994.
[7] G . Antonini , S . Cristina , A . Orlandi , “EMC Characterization of SMPS Devices :
Circuit Model and Analysis of Radiated Emissions”, zccepted for publication on Special
Issue of IEEE Trans . on Elaecromfgnetic  Compatibility .
[8] C . Balanis , Advanced Engineering Electromagnetics , New York : John Wiley & Sons ,

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