1　引言

　　隨著開關頻率的提高以及功率密度的增加，開關電源內部的電磁環境越來越復雜，其電磁兼容問題成為電源設計中的一大重點，同時也成為電源設計工作的一大難點。常規設計方法中，依靠經驗設計處理EMC問題，樣機建立完畢之后才能對EMC問題做最后的考慮。傳統的EMC的補救辦法只能增加額外的元器件，而增加元件有可能影響原始的控制環帶寬，造成重新設計整個系統的最壞情況，增加了設計成本。為了避免出現這樣的情況，需要在設計過程中考慮EMC的問題，對開關電源的EMI進行一定精度的分析和預測，并根據干擾產生的機理及其在各頻帶的分布情況改進設計，降低EMI水平，從而降低設計成本。

　　2　開關電源EMI特點及分類

　　對開關電源傳導電磁干擾進行預測，首先需要明確其產生機理以及噪聲源的各項特性。由于功率開關管的高速開關動作，其電壓和電流變化率都很高，上升沿和下降沿包含了豐富的高次諧波，所以產生的電磁干擾強度大；開關電源的電磁干擾主要集中在二極管、功率開關器件以及與其相連的散熱器和高頻變壓器附近；由于開關管的開關頻率從幾十kHz到幾MHz，所以開關電源的干擾形式主要是傳導干擾和近場干擾。其中，傳導干擾會通過噪聲傳播路徑注入電網，干擾接入電網的其他設備。

　　開關電源傳導干擾分為2大類。

　　1）差模（DM）干擾。DM 噪聲主要由di/dt引起，通過寄生電感，電阻在火線和零線之間的回路中傳播，在兩根線之間產生電流Idm，不與地線構成回路。

　　2）共模（CM）干擾。CM 噪聲主要由dv/dt引起，通過PCB的雜散電容在兩條電源線與地的回路中傳播，干擾侵入線路和地之間，干擾電流在兩條線上各流過二分之一，以地為公共回路；在實際電路中由于線路阻抗不平衡，使共模信號干擾會轉化為不易消除的串擾干擾。

　　3　開關電源EMI的仿真分析

　　從理論上來講，無論是時域仿真還是頻域仿真，只要建立了合理的分析模型，其仿真結果都能正確反映系統的EMI量化程度。

　　時域仿真方法需要建立變換器中包含所有元件參數的電路模型，利用PSPICE或Saber軟件進行仿真分析，使用快速傅里葉分析工具得到EMI的頻譜波形，這種方法在DM 噪聲的分析中已經得到了驗證。然而開關電源中的非線性元件如MOSFET，IGBT 等半導體器件，其非線性特性和雜散參數使模型非常復雜，同時開關電源電路工作時其電路拓撲結構不斷改變，導致了仿真中出現不收斂的問題。在研究CM 噪聲時，必須包含所有的寄生元件參數，由于寄生參數的影響，FFT結果和實驗結果很難吻合；開關功率變換器通常工作在很大的時間常數范圍內，主要包括3組時間常數：與輸出端的基本頻率有關的時間常數（幾十ms）；與開關元件的開關頻率有關的時間常數（幾十μｓ）；與開關元件導通或關斷時的上升時間和下降時間有關的時間常數（幾ns）。

　　正因如此，在時域仿真中，必須使用非常小的計算步長，并且需要用很長時間才能完成計算；另外，時域方法得到的結果往往不能清晰地分析電路中各個變量對干擾的影響，不能深層解釋開關電源的EMI行為，而且缺乏對EMI機理的判斷，不能為降低EMI給出明確的解決方案。

　　頻域仿真是基于噪聲源和傳播途徑阻抗模型基礎上的分析方法。利用LISN為噪聲源提供標準負載阻抗。如圖1所示，從LISN看過去，整個系統可以簡化成噪聲源、噪聲路徑和噪聲接收器（LISN）。頻域方法可以大大降低仿真計算的時間，一般不會出現計算結果不收斂的情況。

圖1　噪聲源與傳播路徑概念

　　圖1中，噪聲路徑包括PCB傳導、耦合路徑，散熱片電容耦合路徑，變壓器耦合路徑等。

　　4　基于頻域方法的SMPS等效電路模型

　　對開關電源進行頻域仿真，首先要建立開關電源的頻域仿真模型。開關電源EMI頻域預測的重點是對噪聲路徑的建模，其中包括：無源器件的高頻模型；PCB及結構寄生參數的抽取。

　　在考慮無源器件、PCB及結構寄生參數的基礎上，建立開關電源集中參數的電路模型，可以通過計算或仿真得到該電路的阻抗，諧振點等，從而為降低EMI提供有力的依據。

　　由于差模噪聲和共模噪聲的傳播路徑不同，有必要對DM 傳播路徑和CM 傳播路徑分別建模。這樣可以更好地分析各種干擾的特點，而且還可以為設計濾波器提供有力的依據。

　　4.1　噪聲源的模型建立

　　由于需要分別對DM 噪聲和CM 噪聲進行分析，所以對DM 噪聲源和CM 噪聲源也需要分別建模。M.Nave在文獻［3］中提出使用電流源作為DM 噪聲源，使用電壓源作為CM 噪聲源的方法，就是因為DM 噪聲主要由di/dt引起，而CM 噪聲則主要由dv/dt引起。文獻［4］在此基礎上對CM 噪聲源進行了改進，考慮了電壓過沖和下沖，并且在線路阻抗近似平衡的情況下，利用DM 電流源和一個電壓源來表示CM 噪聲源（如圖2所示）。

圖2　共模噪聲源的表示

　　文獻基本都是用梯形波來表示噪聲源的，但實際中并不是每個電路中的開關器件的波形都能很好地用梯形波近似，圖3所示即為一個反激電源開關管的電流電壓波形，除了梯形波之外，還有電流尖峰，電壓過沖和下沖等分量，會導致噪聲源的頻譜與梯形波有一定的不同。所以不能盲目地使用梯形波來表征噪聲源，而是需要對電路進行分析或者仿真，從而得到開關器件的電流或電壓波形，基于此波形再對噪聲源進行建模，這樣才能更精確地反映開關電源的電磁干擾。

圖3　某反激電源開關管的電流電壓波形

　　4.2　無源器件的高頻模型

　　在EMI的頻率范圍內，常用的無源器件都不能再被認為是理想的，他們的寄生參數嚴重影響著其高頻特性。

　　在各種無源器件中，電阻、電感和電容的高頻等效寄生參數可以用高頻阻抗分析儀測得。表1所示為各種無源器件的理想模型和高頻等效模型。

表1　電阻、電容、電感及變壓器的高頻等效模型

　　對于高頻變壓器，提出可以使用有限元分析方法和實驗測量法求取，從而可以得到漏感、原副邊自電容和原副邊互電容這些引起電路震蕩、增加傳導EMI的主要參數。使用ansoft公司的Maxwell仿真軟件，可以通過輸入變壓器的繞組和磁芯的幾何尺寸與電磁參數，利用有限元分析的方法得到各寄生參數。實驗測量法的總體思路就是在所建立模型的基礎上，推導出變壓器在不同工作狀態下的阻抗特性（如原副邊繞組開路，短路的不同組合）方程，然后測量這些狀態下的阻抗，從而得到漏感和寄生電容。

　　4.3　PCB及結構寄生參數的提取

　　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