开关电源传导EMI预测方法研究
1 引言
随着开关频率的提高以及功率密度的增加，开关电源内部的电磁环境越来越复杂，其电磁兼容问题成为电源设计中的一大重点，同时也成为电源设计工作的一大难点。常规设计方法中，依靠经验设计处理EMC问题，样机建立完毕之后才能对EMC问题做最后的考虑。传统的EMC的补救办法只能增加额外的元器件，而增加元件有可能影响原始的控制环带宽，造成重新设计整个系统的最坏情况，增加了设计成本。为了避免出现这样的情况，需要在设计过程中考虑EMC的问题，对开关电源的EMI进行一定精度的分析和预测，并根据干扰产生的机理及其在各频带的分布情况改进设计，降低EMI水平，从而降低设计成本。
2 开关电源EMI特点及分类
对开关电源传导电磁干扰进行预测，首先需要明确其产生机理以及噪声源的各项特性。由于功率开关管的高速开关动作，其电压和电流变化率都很高，上升沿和下降沿包含了丰富的高次谐波，所以产生的电磁干扰强度大；开关电源的电磁干扰主要集中在二极管、功率开关器件以及与其相连的散热器和高频变压器附近；由于开关管的开关频率从几十kHz到几MHz，所以开关电源的干扰形式主要是传导干扰和近场干扰。其中，传导干扰会通过噪声传播路径注入电网，干扰接入电网的其他设备。
开关电源传导干扰分为2大类。
1）差模（DM）干扰。DM 噪声主要由di/dt引起，通过寄生电感，电阻在火线和零线之间的回路中传播，在两根线之间产生电流Idm，不与地线构成回路。
2）共模（CM）干扰。CM 噪声主要由dv/dt引起，通过PCB的杂散电容在两条电源线与地的回路中传播，干扰侵入线路和地之间，干扰电流在两条线上各流过二分之一，以地为公共回路；在实际电路中由于线路阻抗不平衡，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干扰。
3 开关电源EMI的仿真分析
从理论上来讲，无论是时域仿真还是频域仿真，只要建立了合理的分析模型，其仿真结果都能正确反映系统的EMI量化程度。
时域仿真方法需要建立变换器中包含所有元件参数的电路模型，利用PSPICE或Saber软件进行仿真分析，使用快速傅里叶分析工具得到EMI的频谱波形，这种方法在DM 噪声的分析中已经得到了验证。然而开关电源中的非线性元件如MOSFET，IGBT 等半导体器件，其非线性特性和杂散参数使模型非常复杂，同时开关电源电路工作时其电路拓扑结构不断改变，导致了仿真中出现不收敛的问题。在研究CM 噪声时，必须包含所有的寄生元件参数，由于寄生参数的影响，FFT结果和实验结果很难吻合；开关功率变换器通常工作在很大的时间常数范围内，主要包括3组时间常数：与输出端的基本频率有关的时间常数（几十ms）；与开关元件的开关频率有关的时间常数（几十μｓ）；与开关元件导通或关断时的上升时间和下降时间有关的时间常数（几ns）。
正因如此，在时域仿真中，必须使用非常小的计算步长，并且需要用很长时间才能完成计算；另外，时域方法得到的结果往往不能清晰地分析电路中各个变量对干扰的影响，不能深层解释开关电源的EMI行为，而且缺乏对EMI机理的判断，不能为降低EMI给出明确的解决方案。
4 无源器件的高频模型
在EMI的频率范围内，常用的无源器件都不能再被认为是理想的，他们的寄生参数严重影响着其高频特性。
在各种无源器件中，电阻、电感和电容的高频等效寄生参数可以用高频阻抗分析仪测得。
对于高频变压器，提出可以使用有限元分析方法和实验测量法求取，从而可以得到漏感、原副边自电容和原副边互电容这些引起电路震荡、增加传导EMI的主要参数。使用Maxwell仿真软件，可以通过输入变压器的绕组和磁芯的几何尺寸与电磁参数，利用有限元分析的方法得到各寄生参数。实验测量法的总体思路就是在所建立模型的基础上，推导出变压器在不同工作状态下的阻抗特性（如原副边绕组开路，短路的不同组合）方程，然后测量这些状态下的阻抗，从而得到漏感和寄生电容。
虽然这样可以提高仿真的准确性，但是加大了分析的计算量，可以通过忽略一些对结果影响不是很大的互感、互容，减少计算量。
散热片与开关管之间会有电容效应，噪声可以通过该效应在电路和地之间进行传播。
还有其他的在空间通过电感或电容耦合传到接收器的噪声，不可以忽略。
模型建立之后，就可以使用仿真软件对开关电源EMI进行仿真，得到开关电源传导EMI的频谱波形，通过分析波形可以定位开关电源EMI的问题所在，进而通过解决该问题而降低EMI。
5 降低EMI的设计方法及策略
降低开关电源EMI，需要从噪声源和传播路径入手。首先，对于噪声源，可以通过加吸收电路，减小di/dt和dv/dt来降低其EMI水平，但是这样一来，开关电源的效率将会受到影响，需要对这两者进行一定的取舍。
然后是对传播路径进行改进。改进的目的是要使传播路径对于干扰的阻抗增大，阻断其向接收器的传播，而对于电网提供的功率，阻抗要小，从而增加开关电源的工作效率。
选取元件时需要尽量选取寄生参数影响小的元件，比如电容的ESR和ESL要尽量小，电感的寄生电容要小等。在PCB以及散热片的位置等设计过程中，也要尽可能增大对干扰传播路径的阻抗，使噪声尽可能少的通过PCB路径传导到接收器。
如果以上所有降低EMI的措施都完成了还没有达到EMC的标准，就可以根据前面仿真分析得到的差模和共模干扰的波形对滤波器进行设计。在设计滤波器的时候，也同样要注意元件的布局，还有PCB寄生参数对滤波器阻抗的影响，其本质也是增大对干扰的阻抗，使干扰无法通过传播路径。
6 结论
综上所述，目前对于开关电源传导干扰的预测方法有时域方法和频域方法两种，由于时域方法需要使用很小的计算步长，需要花费很长的计算时间，容易出现仿真结果不收敛的问题。同时，时域仿真得到的结果往往不能清晰地分析电路中各个变量对干扰的影响。而频域仿真物理意义清晰，更容易判断各参数对EMI的影响，能够为降低EMI提供有力依据，关键问题是建立合理的干扰源和传播途径的频域模型。
对于PCB寄生参数的提取，有很多软件，这些软件适合的领域不尽相同，可以根据任务需求进行选择。
对于高频等效电路模型，可以通过电路分析的方法忽略一些对EMI影响很小的互感、互容等因素，既减少计算量，又不会降低过多的计算精度。
降低EMI的主要方法就是使传播路径对电磁干扰的阻抗增大，使电磁干扰尽可能少的通过传播路径，对于滤波器设计可以分别根据DM 噪声和CM 噪声的仿真结果进行设计，并且需要特别注意滤波器的元件布局，好的布局能够更好地抑制噪声的传播。
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