开关电源PCB电磁兼容性的建模分析

图2开关管对地电容形成的共模电流回路

隔离变压器是一种广泛使用的电源线干扰抑制措施。其基本作用是实现电路之间的电气隔离，解决由地线环路带来的设备间相互干扰。对于理想的变压器，它只能传送差模电流而不能传送共模电流，这是因为对于共模电流，它在理想变压器的两个端子之间的电位相同，因此不能在绕组上产生磁场，也就不能够有共模电流通路了，从而起到了抑制共模噪声的作用。

而实际的隔离变压器原边和副边之间有一个耦合电容CW，这个耦合电容是由于变压器的绕组之间存在非电介质和物理间隙所产生的，它为共模电流提供了一个通路。

如图2所示，A点是电路中电压变化最强的区域，它也是产生噪声的最强的区域。伴随着电路的高频开关工作，该点的高频电压通过变压器初次级之间的分布电容Cps、电源线对地线的阻抗、变压器次级印制线自身的阻抗、电感、电容等参数，而形成变压器的共模噪声路径。

普通隔离变压器对共模噪声有一定的抑制作用，但因绕组间分布电容使它对共模干扰的抑制效果随频率升高而下降。普通隔离变压器对共模干扰的抑制作用可用初次级间的分布电容和设备对地分布电容之比值来估算。通常初次级间的分布电容为几百pF，设备对地分布电容为几~几十nF，因而共模干扰的衰减值在10~20倍左右，即20~30dB。为了提高隔离变压器对共模噪声的抑制能力，关键是要耦合电容小，为此，可以在变压器初次级间增设屏蔽层。屏蔽层对变压器的能量传输无不良影响，但影响绕组间的耦合电容。带屏蔽层的隔离变压器除了能抑制共模干扰外，利用屏蔽层还可以抑制差模干扰，具体做法是将变压器屏蔽层接至初级的中线端。对50Hz工频信号来说，由于初级与屏蔽层构成的容抗很高，故仍能通过变压器效应传递到次级，而未被衰减。对频率较高的差模干扰，由于初级与屏蔽层之间的容抗变小，使这部分干扰经由分布电容及屏蔽层与初级中线端的连线直接返回电网，而不进入次级回路。

因此，对变压器的高频建模非常重要，特别是变压器的许多寄生参数，例如：漏感，原副边之间的分布电容等，它们对共模EMI电平的高低有着显着的影响，必须加以考虑。实际中，可以使用阻抗测量设备对变压器的主要参数进行测量，从而获得这些参数并进行仿真分析。

半桥电路中的直流电解电容Cin有相应的串联等效电感ESL和串联等效电阻，这两个参数也影响到电路的高频性能，一般情况下ESL大约在几十nH左右。在实际分析中，无源元件，如电阻器、电感器和电容器的高频等效寄生参数可用高频阻抗分析仪测得，功率器件的高频模型可以从电路仿真软件的模型库中得到。

另外一个对电路的高频噪声影响较大的因素是印制板上印特种线（带状线）的相互耦合，当一个高幅度的瞬变电流或快速上升的电压出现在靠近载有信号的导体附近，就将产生干扰问题。印特种线的耦合情况通常用电路和导线的互容和互感来表征，容性耦合引发耦合电流，感性耦合引发耦合电压。pCB板层的参数、信号线的走线和相互之间的间距对这些参数都有影响。

建立印刷电路板走线高频模型和提取走线间寄生参数的主要困难是决定印刷板线条单位长度的电容量和单位长度的电感量。通常有三种方法可以用来决定电感、电容矩阵元件：

（1）有限差分法（FDM）；（2）有限元法（FEM）；（3）动量法（MOM）。

当单位长度矩阵被精确的决定以后，通过多导体传输线或部分元等效电路（pEEC）理论，就可以得到印刷电路板走线的高频仿真模型。Cadence软件是一种强大的EDA软件，它的SpecctraQuest工具可以对pCB进行信号完整性和电磁兼容性分析，用它也可以对印刷电路板走线进行高频建模，实现对给定结构的pCB进行参数提取，并且生成任意形状印特种线走线的电感、电容、电阻等寄生参数矩阵，然后利用pEEC理论，就可以进行EMC仿真分析。

3共模和差模噪声的电路模型

通常电路中的共模干扰和差模干扰是同时存在的，共模干扰存在于电源的任意一个相线与大地之间，差模干扰存在于相线与相线之间。法国Grenoble电技术实验室的Teuling、Schnaen和Roudet基于由MOSFET构成的400W、开关频率为100KHz的斩波电路实验模型的研究表明，低频时差模干扰占主导地位；高频时，共模干扰占主导地位，这说明开关电源的差模干扰和共模干扰对电路的影响程度是不同的；另一方面，线路寄生参数对差模干扰和共模干扰的影响也不同，由于线间阻抗与线———地阻抗不同，干扰经长距离传输后，差模分量的衰减要比共模大。因此，为了解决开关电源的传导噪声问题，需要首先区分共模和差模干扰，这就需要建立共模和差模噪声路径，然后对它们分别进行仿真和分析，这种方法便于我们找到电磁干扰问题的根源，便于问题的解决。

在工程上可以用电流探头来判断电源是共模还是差模占主导地位，探头先单独环绕每根导线，得出单根导线的感应值；然后再环绕两根导线，探测其感应情况，如果感应值是增加的，则线路中的干扰电流是共模的，反之是差模的。在理论分析中，针对不同的系统，需要分别建立它们的共模和差模噪声电流模型，在我们上述分析的基础上，综合考虑功率器件的高频模型和印特种线相互耦合关系，我们得到了半桥QRC变换器的共模和差模干扰电路模型，它示于图3。图中的LISN（LineImpedenceStabilizingnetwork）是EMC检测规定的线性阻抗固定网络。因为对于50Hz工频信号LISN的电感表现为低阻抗，电容表现为高阻抗，所以对工频信号LISN基本不衰减，电源可以经LISN输送到半桥变换器中。而对于高频噪声，LISN的电感表现为大阻抗，电容可以视为短路，所以LISN阻止了高频噪声在待测设备和电网之间的传送，因此，LISN起到了为共模和差模干扰电流在所需测量的频段（典型值为100KHz~30MHz）提供一个固定的阻抗（50ohm）的作用。