PCB部落格 - 開關電源PCB板電磁相容性建模分析

在開關電源中 電路板 電磁相容性的建模和分析, 開關變換器雜訊的干擾路徑為干擾源和受干擾設備提供了耦合條件, 而對其共模干擾和差模干擾的研究就顯得尤為重要. 主要分析了電路主要元件的高頻模型以及共模和差模雜訊的電路模型, 為開關電源的電磁相容優化設計提供了有益的幫助 PCB板. 開關電源的共模干擾和差模干擾對電路有不同的影響. 通常, 差模雜訊在低頻時占主導地位, 在高頻段，共模雜訊占主導地位, 共模電流的輻射效應通常高於差模電流的輻射效應. 輻射效應要大得多, 囙此，有必要區分電源中的差模干擾和共模干擾. 為了區分差模干擾和共模干擾, 我們首先需要研究開關電源的基本耦合模式, 在此基礎上, 我們可以建立差模雜訊電流和共模雜訊電流的電路路徑. 開關電源的傳導耦合主要包括：電路傳導耦合, 電容耦合, 感應耦合和這些耦合方法的混合.

1. Common-mode and differential-mode noise path models
In the switching power supply, 高頻變壓器一次繞組和二次繞組之間存在的耦合電容CW, 功率管和散熱器之間存在的雜散電容CK, 功率管本身的寄生參數, 並且形成印刷導線之間的相互耦合. 互感, 自感, 互電容, 自電容, 阻抗和其他寄生參數構成共模雜訊和差模雜訊路徑, 從而形成共模和差模傳導干擾. 在分析電阻寄生參數模型的基礎上, 功率開關器件的電感和電容, 變壓器和印刷導線, 可以獲得變流器的雜訊電流路徑模型.

2. High-frequency model of the main components of the circuit
The internal parasitic inductance and 電容 of the power switch tube affect the high-frequency performance of the circuit. 這些電容器使高頻干擾洩漏電流流向金屬基板, 在功率管和散熱器之間有一個雜散電容CK. 出於安全考慮, 散熱器通常接地, 提供共模雜訊路徑. PWM轉換器工作時, 隨著開關設備的工作, 共模雜訊也相應產生. 對於半橋變流器, 開關Q1的漏極電壓始終為U1, 源電勢在0和U1之間變化/2隨著開關狀態的變化； Q2的源電勢始終為0, 漏電勢為0和U1/2. 為了使開關管和散熱器保持良好接觸, 通常在開關管底部和散熱器之間添加具有良好導熱性的絕緣墊片或絕緣矽膠. 這相當於在點a和接地之間有一個並聯耦合電容器CK. 當開關Q1和Q2的狀態改變時, 囙此A點的電勢發生變化, 雜訊電流Ick將在CK上產生, 如圖2所示. 電流從散熱器到達主機殼, 和底盤, 那就是, 地面, 與主電源線具有耦合阻抗, 形成圖2中虛線所示的共模雜訊路徑. 因此, 共模雜訊電流在地面和主電源線之間的耦合阻抗Z上產生壓降, 形成共模雜訊. 隔離變壓器是一種廣泛應用的電力線干擾抑制措施. 其基本功能是實現電路之間的電力隔離，並解决接地回路引起的設備之間的相互干擾. 對於理想變壓器, 它只能攜帶差模電流，不能攜帶共模電流, 這是因為對於共模電流，理想變壓器的兩個端子之間的電勢相同, 所以它不能在繞組上產生磁場, 也可能沒有共模電流路徑, 從而起到抑制共模雜訊的作用. 實際隔離變壓器在一次側和二次側之間有一個耦合電容器CW. 該耦合電容器由變壓器繞組之間存在的非介電和物理間隙產生, 為共模電流提供路徑.

普通隔離變壓器對共模雜訊有一定的抑制作用, 但由於繞組之間的分佈電容，抑制共模干擾的效果隨著頻率的新增而降低. 普通隔離變壓器對共模干擾的抑制可以通過一級和二級之間的分佈電容與設備對地的分佈電容之比來估計. 通常, 初級和次級之間的分佈電容為幾百pF, 對地分佈電容為幾到幾十納伏, 囙此共模干擾的衰减值約為10到20倍, 那就是, 20至30 dB. 為了提高隔離變壓器抑制共模雜訊的能力, 關鍵是要有一個小的耦合電容. 因此, 可以在變壓器的初級和次級之間添加遮罩層. 遮罩對變壓器的能量傳輸沒有不利影響, 但會影響繞組之間的耦合電容. 除了抑制共模干擾, 具有遮罩層的隔離變壓器也可以通過使用遮罩層來抑制差模干擾. 具體方法是將變壓器的遮罩層連接到一次繞組的中性端. 對於50Hz工頻訊號, 由於初級和遮罩層形成的高電容電抗, 它仍然可以通過變壓器效應傳輸到二次側，而不會衰减. 用於更高頻率的差模干擾, 由於初級和遮罩層之間的電容電抗變小, 這部分干擾通過分佈電容和遮罩層與一次中性端之間的連接直接返回電網，而不進入二次電路. 因此, 對變壓器的高頻進行建模非常重要, 特別是變壓器的許多寄生參數, 例如：漏感, 一次側和二次側之間的分佈電容, 等., 對共模電磁干擾水准有重大影響, 必須考慮. 在實踐中, 阻抗量測設備可用於量測變壓器的主要參數, 從而獲得這些參數並進行模擬分析. 半橋電路中的直流電解電容器Cin具有相應的串聯等效電感ESL和串聯等效電阻. 這兩個參數也會影響電路的高頻效能. 通常地, ESL約為幾十nH. 在實際分析中, 電阻等無源元件的高頻等效寄生參數, 電感器和電容器可以用高頻阻抗分析儀量測, 功率器件的高頻模型可以從電路模擬軟件的模型庫中獲得. Another factor that has a greater impact on the high-frequency noise of a circuit is the mutual coupling of the printed conductors (striplines) on the printed board. 當導體附近出現高幅度瞬態電流或快速上升的電壓時, 會有干擾問題. 印刷導線的耦合通常以電路和導線的電容和互感為特徵. 電容耦合導致耦合電流, 電感耦合引起耦合電壓. PCB層的參數, 訊號線的軌跡及其間距都會影響這些參數. 建立印刷電路板軌跡的高頻模型和選取軌跡間寄生參數的主要困難是確定印刷電路板軌跡的組織長度電容和組織長度電感. There are generally three methods that can be used to determine the inductance and capacitance matrix components: (1) Finite Difference Method (FDM); (2) Finite Element Method (FEM); (3) Momentum Method (MOM). 確定組織長度矩陣後, a high frequency simulation model of the printed circuit board traces can be obtained through multi-conductor transmission line or partial element equivalent circuit (PEEC) theory. Cadence軟件是一種功能强大的EDA軟件. 其SpecctraQuest工具可以對以下對象執行信號完整性和電磁相容性分析： PCB板s. 它還可以用於印刷電路板軌跡的高頻建模，以實現給定的結構. 參數是從 PCB板, 電感的寄生參數矩陣, capacitance, 並產生任何形狀的印刷導線痕迹的電阻, 然後利用PEEC理論進行電磁相容模擬分析.

3. Circuit model of common mode and differential mode noise
Usually the common mode interference and differential mode interference in the circuit exist at the same time, 電源的任何相線和接地之間都存在共模干擾, 相線和相線之間存在差模干擾. 低頻時以差模干擾為主； 共模干擾在高頻下占主導地位, 結果表明，開關電源的差模干擾和共模干擾對電路的影響不同； 另一方面, 線路寄生參數對差模的影響不同，干擾和共模干擾的影響也不同. 因為線路之間的阻抗不同於線路對地阻抗, 在長距離傳輸干擾後, 差模分量的衰减大於共模分量的衰减. 因此, 為了解决開關電源的傳導雜訊問題, 必須首先區分共模和差模干擾, 這需要建立共模和差模雜訊路徑, 然後分別對其進行模擬分析. 這種方法便於我們發現電磁干擾. 問題的根本原因很容易解决. 工程專業, 電流探針可用於確定電源是共模還是差模. 探頭首先單獨圍繞每條導線，以獲得單根導線的感應值； 感應值新增, 線路中的干擾電流為共模, 否則為差模. 在理論分析中, 對於不同的系統, 有必要分別建立它們的共模和差模雜訊電流模型. 基於我們的上述分析, 考慮功率器件的高頻模型和印刷線路的相互耦合關係, 給出了半橋QRC變換器的共模和差模干擾電路模型. LISN (Line ImpedenceStabilizing network) is a linear impedance fixed network specified for EMC detection. 因為LISN的電感對於50Hz工頻訊號是低阻抗的, 電容器為高阻抗, 工頻訊號LISN基本上沒有衰减, 功率可以通過LISN傳輸到半橋變流器. 對於高頻雜訊, LISN的電感顯示出較大的阻抗, 電容器可被視為短路, 囙此，LISN可以防止被測設備和電網之間的高頻雜訊傳輸. 因此, LISN作為共模和差模干擾. The current provides a fixed impedance (50ohm) in the frequency band to be measured (typical value is 100KHz ~ 30MHz) on PCB板.