开关电源辐射发射的场路联合仿真预测

一种车载充电系统开关电源的EMC仿真分析
1 开关电源电磁干扰机理与抑制措施
 开关电源的开关器件应用较多的是MOSFET和GIBT。

其在关断时会产生较大的电压、电流变化率。

开关电源中的开关器件在关断时，电压／电流的变化率较大，会造成较大干扰。

为抑制开关电源的干扰，必须了解干扰源所产生噪声信号的频谱特性。

开关电源线路如图1所示。

 1．1 开关电源噪声源分析
 1．1．1 功率开关管
 一般来说，功率开关管及其散热片与设备外壳和电源内部的引线间存在着分布电容。

当开关管频繁导通和关断时，会有矩形波的形成，这种矩形波含有丰富的高频成分。

由于开关管的存储时间、输入输出电容、整流二极管的反向恢复时间等，会造成很大的尖峰电流，当其流经变压器和电感产生的电磁场都可能形成噪声源，甚至可以击穿开关管。

 1．1．2 高频变压器
 当原导通开关管关断时，高频变压器的漏感所产生的反电动势E=-LP·di／dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。

它既影响其他设备的安全和经济运行，也影响自身的工作。

开关电源中的变压器作用是：隔离与储能。

在高频情况下，其隔离不完全，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声易在初次级之间传递。

变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周围产生的电磁场更容易在其他引线上耦合形成噪声。

开关电源电磁发射预测及改善技术Prediction & Improve on EMI emissions of a SMPS报告人：和军平（报告人：和军平（Dr.） Nov 10, 2012he hejunping@junping@junping@hitsz hitsz .cn Shenzhen City电源网内容一. 开关电源面临的EMI问题二. 开关电源电磁干扰发射形成机理三. 开关电源电磁干扰发射的预测四. 开关电源电磁兼容抑制方法五. 结论随着人们对清洁环境、生活品质要求不断提高，全球主要国家对电气、电子产品电磁兼容性的要求日益严格！欧盟 美国 中国 加拿大辐射发射测试 传导发射测试全球新能源产品市场响应/成本压力！开发周期延长、体积增加、成本上升！一. 开关电源发展面临的EMI问题开关电源继续向高频化、高功率密度化、数字化、高效、低成本方向迅速发展！更高的工作频率、更高的dv/dt、di/dt，更强更强高频频谱高频频谱高频频谱！！更强的 EMI 源dBf1/pi*t on更近的距离，更强的电磁耦合，更加复杂电更加复杂电磁干扰形成和传播！磁干扰形成和传播！ Telecom PSMagnetic field电磁兼容设计面临着新挑战！dt rAT传导测试测试SMPSLISNLGNEMI receiver50 Ohm50 Ohm 50uH50uH0.1uF0.1uFSMPS 80cmChamber辐射发射测试EMI receiver二. 开关电源电磁干扰发射形成机理2.2电磁干扰的形成和传播电磁干扰传播的机理主功率回路相同;;A: 沿着主电路、输入/输出线及其寄生参数传播,与主功率回路相同 B: 沿着杂散电磁耦合通道传播，隐蔽！C: 直接向周围空间辐射传播，复杂！无源器件的高频寄生参数ESL ESRC L ESREPC电阻器电容器电容器杂散电磁耦合参数heatsinkTransformerG D S高dv/dtdv/dt 导体earth V s杂散耦合参数传导干扰发射的形成和传播DMFlybackFlyback DM高dv/dt导体面积一定要尽可能小 CMFlybackFlyback CMtotal Flyback Flyback totalCM/DM分析也是分析其它拓扑结构电源的有效方法！S1 D1La D2D5Cd RdD3D4PFCInverter220μFL1 MR l o a dD10.47u F450u HInput cableOutput cableicm1icm2辐射干扰的形成和传播PFC3.1 传导干扰发射的预测时域仿真法1: Build high frequency model of components and the PCB;2: Extract parasitic parameters between the components and the PCB 3: Predict EMI emission with circuit simulator. 4: Compliance check and optimization of layoutBuild high frequency model of componentsExtract parasitic parameter of PCBModel Library SpecificationEMI Simulation三. 开关电源电磁干扰发射的预测A: High Frequency Model of Passive ElementsResistors Capacitors InductorspCRkLfdecdB/20−decdB/20+pRCπ21pkCLπ21ZESL ESRCfZf0 L ESREPCfZfactf0TransformersWiresZ Lpc 2/r 2/r 2/i L 2/i L 2/i L 2/i L 2/e L 2/e L 2/r 2/r 1r 2r 1c 2c 3c pR 2pR 2sl pL 2pL 2nHints: 1: Parasitic parameter generally is small, but it influence high frequency EMI greatly. 2: Although these parasitic parameter can be found in datasheet or by simple measure, they are difficult to predict in advance.3: For simple, we can use general parasitic parameter based on thousand times measurement of product-component.B: High Frequency Model of Active DevicessR GR DR gsC bsC dsI bdC gbC gd C DSR BR sGDSBgdb)(u f td u d Modeling of thecapacitive behaviourModeling of the stored chargeDiode model with reverse recovery proposed by Cliff L.Ma Macro-model of IGBT used in SPICE (<10MHz)For EMI prediction, active device model must be very accurate. Its should accurately simulate transient behavior during turn on or turn off. 1: physic model: too difficult2: macro model: not enough accurate, effective frequency band is limited.(<10MHz)Solve MaxwellequationsDetermine PUL(per unit length) capacitance, inductance, resistance and conductance matrices Build high frqeuency model of PCB based on MTL(multi-conductor transmission line) or PEEC(partial equivalent element circuit) theoryFEM (Finite Element Method) FDM (Finite Difference Method)C: Parasitic Parameter Extraction of the printed tracesD: Stray Parasitic Parameter Extraction among componentsD heatsinkLoadEarthE: Time domain simulation using Pspice, SABER software F: FFT analysis on simulation resultExample1:Exact simulation of conducted EMI in switched mode power suppliesPspiceWe can see simulation effect is good!1: It can be used as a prediction assess.2: It helps us to identify key factors.3: It can direct us to debug and design.4: It is time consumed & depends onexperience.Buck3.2 辐射发射的场路联合仿真预测Re f A-20-101020304050607080A 有源器件高频模型的建立IS=3.0956e-06RS=0.013858N=1.0246EG=0.69XTI=2 BV=35CJO=1.6007e-09VJ=0.46333M=0.55825FC=0.5TT=8.0e-09KF=4.417e-02.MODEL MM NMOS LEVEL=1 IS=1e-32+VTO=2.66432 LAMBDA=0.0048933KP=89.0396+CGSO=1.68868e-05 CGDO=1.33184e-06RS 8 3 0.01053462D1 3 1 MD.MODEL MD D IS=7.69994e-10RS=0.0402311 N=1.5 BV=30+IBV=0.00025 EG=1.06591 XTI=3.99512B. PEEC法提取主电路PCB高频参数C：激励源的仿真远场辐射预测-1i Mi DR e f A-20-101020304050607080Date: 1.JUL.2011 14:01:54仿真结果与实测对比f=60MHz 时辐射方向图输入 / 输出长线缆模型电源网305784111138165192219246273300-30-20-10010203040506070R e fA2 P KM A X H-20-101020304050607080远场辐射预测-2Nov, 10, 2012 Hejunping四.开关电源电磁干扰发射的抑制A: EMI滤波器：可靠、基础性办法LL EMI filter无源LC反射滤波或吸收滤波，可覆盖150kHz-1GHz 。

一种适用于配电开关辐射场仿真分析方法
范闻博;吴燕;赵轶民;关石磊;余勇祥;耿英三
【期刊名称】《高压电器》
【年(卷),期】2017(53)9
【摘要】在一、二次融合配电开关设备中,操作过程中暂态电磁辐射会对安装在开关内部的二次元件产生影响。

目前对配电开关设备的电磁兼容问题研究集中在试验检测,而缺乏对电磁辐射场的仿真工作。

文中研究目标是建立一种适合于配电开关电磁辐射场仿真方法,并通过实验验证仿真方法的适用性。

通过分析配电开关设备近场辐射的特点,认为时域有限积分法是计算该电磁模型的适用方法,接下来使用CST微波工作室时域有限积分软件对一台10 kV的真空断路器进行了建模,仿真分析了合闸涌流操作引起的电磁辐射场,并进行了相同条件的辐射磁场测量实验。

仿真得到的辐射磁场波形与实验采集结果对比显示,二者波形变化趋势一致,数值误差小于15%,证明了该仿真方法对计算配电开关设备的电磁辐射场的适用性。

【总页数】6页(P11-16)
【关键词】配电开关;电磁兼容;辐射场;时域有限积分法
【作者】范闻博;吴燕;赵轶民;关石磊;余勇祥;耿英三
【作者单位】配电变压器节能技术北京市重点实验室;西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TM561
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5.功率开关电源电磁辐射的场仿真
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开关电源PCB电磁兼容性的建模分析在电磁兼容性的建模分析中，首先需要对开关电源进行电路建模。

开关电源一般由输入滤波器、整流器、功率逆变器、输出滤波器等基本组件组成。

输入滤波器的作用是滤除输入电压中的高频噪声和谐波，减小对整体系统的电磁干扰。

整流器将交流电转换为直流电，功率逆变器则将直流电转换为所需的交流电，输出滤波器则滤除输出电压中的高频噪声。

建立合适的电路模型有助于后续的电磁兼容性分析。

接下来，需要对开关电源电路进行电磁辐射模型的建立。

电磁辐射是指电子设备在工作过程中会产生电磁波，通过空气传播出去，可能对周围的其他设备和系统产生干扰。

通过建立电磁辐射模型，可以分析开关电源产生的电磁辐射强度以及分布情况，以便在设计阶段对其进行优化。

另外，还需要进行开关电源的电磁干扰分析。

电磁干扰是指来自外部电磁场的信号对开关电源产生的干扰，可能导致其工作异常或性能下降。

在电磁干扰分析中，需要考虑外部电磁场对开关电源不同部分的干扰程度，同时也要考虑开关电源本身的抗干扰能力。

通过建立电磁干扰模型，可以对开关电源进行干扰源和干扰路径分析，以评估其对其他设备和系统的影响。

除了电磁辐射和电磁干扰的分析，还需要对开关电源的传导干扰进行建模。

传导干扰是指开关电源产生的电磁噪声通过导线、电缆等传导媒质传播到其他设备和系统中，导致其受到干扰。

通过建立传导干扰模型，可以分析开关电源的传导路径以及传导媒质的特性，从而优化系统布局和电路设计，减少传导干扰的影响。

最后，在进行电磁兼容性的建模分析时，还需要结合实际的测试和验证。

通过实际的测试，可以验证建立的模型的准确性，并进行必要的修正和调整。

同时，还可以对设计进行改进，以提高开关电源的电磁兼容性。

综上所述，在开关电源的电磁兼容性建模分析中，需要对电路进行建模，分析其电磁辐射、电磁干扰和传导干扰等因素，并结合实际的测试和验证进行优化和改进。

通过这些分析，可以有效提高开关电源的电磁兼容性，保证其正常工作并减少对其他设备和系统的干扰。

功率开关电源电磁辐射的场仿真Field Simulation of Radiation Emission in Switch Power Supply吴睿张敏* 吴琛张欢(同济大学现代集成电磁仿真研发中心，上海 201804)* 通讯作者：min.zhang@摘要：采用CST设计工作室®对一款功率开关电源进行电路行为级仿真，确定其中潜在的电磁干扰源，并通过CST微波工作室®对该电源印制板进行电磁辐射的全波时域仿真。

仿真得到印制电路板板上的电流分布和3m外场强。

比对EMI国际标准，从而给出电磁辐射强度的预估。

关键词：功率开关电源 Buck-Boost电路 电磁辐射Abstract：Potential EMI sources in a switch power supply are investigated using the schematic simulation software – CST DESIGN STUDIO®. The electromagnetic radiation from the PCB is studied with the full-wave transient simulator of CST MICROWA VE STUDIO®. The current distribution on the board and the electric field intensity 3 meters above the board are obtained. EMI estimate is made based on the simulation results according to the international EMI standards.Keywords：Switch power supply Buck-Boost circuit EMI0 引 言随着电子技术的迅速发展，设备小型化和数字化的趋势，开关电源被广泛应用于计算机、通信、自动控制等各个领域。

开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析开关电源差模电流辐射干扰的模拟与分析l、引言：开关电源的电磁干扰问题主要立括传导发射(conducted emission)干扰和辐射发时(radiated emission)干扰，电磁兼容中所谓的发射，是指从源向外发出电磁能的现象，与一般通信领域中人为的向外发射电磁波不同，开关电源中的发射常常是无意的，如果不加以控制，就会对周围的电子设备产生严重的干扰。

随着开关电源的小型化、高频和高功率设计，闭合印制线回路引起的辐射干扰(差模干扰)己成为开关电源的主要辐射干扰源之一，研究闭合印制线回路的辐射规律对减小开关电源的辐射干扰有着重要的意义。

2、建立差模电流的辐射模型：开关电源利用半导体器件的开和关工作，并以开和关的时间比来控制输出电压的高低，由于其通常工作在20KHz 以上的开关频率工作，开关电源内的dv／dt、di／dt 很大，产生严重的浪涌电压、浪涌电流和其它各种噪声。

图1 是典型的开关电源的简图和产生噪声的回路，含有大量高次谐波的噪声通过闭台回路向空间辐射电磁能量，即差模电流的辐对干扰。

通常的闭合环形回路的形状都是不规则的，这里我们只讨论一般的模型，如图2 所示。

这是一种带有接地平面的正方形的闭合印制线环路，在回路的两端分别接有电压源和阻抗相等的源内阻、负载，当电压信号的频率较高时，这种结构与方环形天线是非常相似的，成为一种严重的辐射源。

3、数值模拟：对于建立好的模型．可以通过电磁场的数值模拟软件来对其辐射特性进行分析。

在这里我们使用Ansoft 的HFSS(High Frequency Structure Simulator)来进行模拟。

首先来研究这种闭合印制线回路的面积发生变化时其辐射特性如何发生变化。

当差模辐射用小环天线产生的辐射来模拟时，在距离辐射回路为的远场的电场强度为E=131．6 乘以106(fSI)(1／r)Sinθ(1)其中f（H2）为回路中电流信号的频率，S(m2)为回路面积，1(A)为电流强度，θ（0）为测量天线与辐。

开关电源传导发射和辐射发射的产生原因及解决对策1 概述目前，电子产品电磁兼容问题越来越受到人们的重视，尤其是世界上发达国家，已经形成了一套完整的电磁兼容体系，同时我国也正在建立电磁兼容体系，因此，实现产品的电磁兼容是进入国际市场的通行证。

对于开关电源来说，由于开关管、整流管工作在大电流、高电压的条件下，对外界会产生很强的电磁干扰，因此开关电源的传导发射和电磁辐射发射相对其它产品来说更加难以实现电磁兼容，但如果我们对开关电源产生电磁干扰的原理了解清楚后，就不难找到合适的对策，将传导发射电平和辐射发射电平降到合适的水平，实现电磁兼容性设计。

2 开关电源传导骚扰2.1 传导发射的产生开关电源的传导骚扰是通过电源的输入电源线向外传播的电磁干扰。

在开关电源输入电源线中向外传播的骚扰，既有差模骚扰、又有共模骚扰，共模骚扰比差模骚扰产生更强的辐射骚扰。

传导骚扰的测试频率范围为150KHz～30MHz，限值要求如下表1 所示：表1：A 级电源端口传导骚扰限值频率范围（MHz）准峰值dB（μV）平均值Db（μV）0.15～0.5 79 660.5～30 73 60B 级电源端口传导骚扰限值0.15～0.5 66 560.5～5 56 465～30 60 50在0.15MHz～1MHz 的频率范围内，骚扰主要以共模的形式存在，在1MHz～10MHz 的频率范围内，骚扰的形式是差模和共模共存，在10MHz 以上，骚扰的形式主要以共膜为主。

传导发射的差模骚扰的产生主要是由于开关管工作在开关状态，当开关管开通时，流过电源线的电流线形上升，开关管关断时电流突变为0，因此流过电源线的电流为高频的三角脉动电流，含有丰富的高频谐波分量，随着频率的升高，该谐波分量的幅度越来越小，因此差模骚扰随频率的升高而降低，另外，如下图1 所示，由于电容C5 的存在，它与电感L3 组成低通滤波器，因此，差模传导骚扰主要存在低频率段。

图1共模骚扰的产生主要原因是电源与大地（保护地）之间存在有分布电容，电路中方波电压的高频谐波分量通过分布电容传入大地，与电源线构成回路，产生共模骚扰。

史上最全开关电源传导与辐射超标整改方案目前，电子产品电磁兼容问题越来越受到人们的重视，尤其是世界上发达国家，已经形成了一套完整的电磁兼容体系，同时我国也正在建立电磁兼容体系，因此，实现产品的电磁兼容是进入国际市场的通行证。

对于开关电源来说，由于开关管、整流管工作在大电流、高电压的条件下，对外界会产生很强的电磁干扰，因此开关电源的传导发射和电磁辐射发射相对其它产品来说更加难以实现电磁兼容，但如果我们对开关电源产生电磁干扰的原理了解清楚后，就不难找到合适的对策，将传导发射电平和辐射发射电平降到合适的水平，实现电磁兼容性设计。

开关电源电磁干扰的产生机理及其传播途径率的提高一方面减小了电源的体积和重量，另一方面也导致了更为严重的EMI问题。

开关电源工作时，其内部的电压和电流波形都是在非常短的时间内上升和下降的，因此，开关电源本身是一个噪声发生源。

开关电源产生的干扰，按噪声干扰源种类来分，可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。

使电源产生的干扰不至于对电子系统和电网造成危害的根本办法是削弱噪声发生源，或者切断电源噪声和电子系统、电网之间的耦合途径。

现在按噪声干扰源来分别说明：1、二极管的反向恢复时间引起的干扰交流输入电压经功率二极管整流桥变为正弦脉动电压，经电容平滑后变为直流，但电容电流的波形不是正弦波而是脉冲波。

由电流波形可知，电流中含有高次谐波。

大量电流谐波分量流入电网，造成对电网的谐波污染。

另外，由于电流是脉冲波，使电源输入功率因数降低。

高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di/dt)。

2、开关管工作时产生的谐波干扰功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。

例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。

开关电源电磁兼容仿真的研究张继庆1杜贵平21,2)中国电器科学研究院，广州5103001) Email：zji1102@摘要：开关电源由于本身工作特性使得电磁干扰问题相当突出，本文论述了开关电源电磁兼容问题产生的原因及种类，以高频开关电源为例，介绍了开关电源仿真模型的创建和仿真的流程，并对高频开关电源进行了仿真计算。

关键词：电磁兼容，计算机仿真技术，预设计Research of Simulation Techniques for Electromagnetic Compatibility about Switching Power Supply Abstract : Aimed at gradually outstanding problems for EMC of switching power supply , The reason and kinds of EMC about switching power supply are expounded.Taked high frequency switch power supply as example, Simulation model and technological processing of it are discussed , And simulation testing about it is completed.Key Words: Electromagnetic compatibility (EMC); Simulation Techniques; Pre-design1、引言近年来，开关电源以其效率高、体积小、输出稳定性好的优点而迅速发展起来，但由于开关电源工作过程中的高频率、高d i/d t和高d v/d t使得电磁干扰问题非常突出[1]。

开关电源的电磁干扰对电子设备的性能影响很大，因此各种标准对抑制电源设备电磁干扰的要求已越来越高。