反激式变换器电磁辐射的FDTD仿真与分析

反激式变换器电磁辐射的FDTD仿真与分析
赵全斌;付琦;和军平
【摘要】Electromagnetic radiation emission from a switched mode power supply is easily exceeding EMC standard rnlimits and this phenomenon is difficult to debug for many switched mode power supply designers. It is very necessarnry to study electromagnetic radiation mechanism, characteristics and prediction method for industrial community and rnacademia. After analyzing and modeling of some active and reactive components, such as capacitor, transformer, rndiode, MOSFET, PCB traces, input/output cords, a FDTD model of a flyback SMPS is set up. The distribution rnpattern and magnitude characteristics of far-field electromagnetic radiation are simulated and analyzed based on XrnFDTD software. Using simulation tool, it is found that input and output cables have a significant influence on the rnfar-field electromagnetic radiation distribution of the flyback power supply in 30MHz-300MHz. The capability of a rncommon mode EMI choke to inhibit radiation is verified by using simulation. This paper is useful for SMPS engirnneers to design and decrease far-field electromagnetic radiation.%开关电源电磁辐射发射容易超出EMC标准限值,有必要对其形成机理、特性和预测进行研究.本文在建立电容、变压器、PCB引线、半导体开关等元器件模型基础上,对Flyback开关电源进行了时域有限差分(FDTD)建模,仿真研究了其在开放空间中远场电磁辐射的分布和规律.仿真结果表明开关电源输入/输出电缆是电磁辐射的主要影响因素,并验证了共模电感对远场电磁辐射的抑制作用.
【期刊名称】《电工电能新技术》
【年(卷),期】2011(030)003
【总页数】5页(P51-54,69)
【关键词】开关电源;电磁辐射;FDTD;仿真预测
【作者】赵全斌;付琦;和军平
【作者单位】哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东,深圳,518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东,深圳,518055;哈尔滨工业大学深圳研究生院,广东,深圳,518055【正文语种】中文
【中图分类】TM155
1 引言
开关电源在半导体器件通断时会产生瞬态电磁辐射，易造成远场辐射干扰发射超出电磁兼容标准限值，影响周围敏感电子设备正常工作，成为阻碍开关电源产品顺利设计和生产的一个难题［1］。

近年来，国内外研究者对开关电源内、外部的多种近场电磁效应进行了研究［2-6］。

其中，文献［2-4］将近场电磁耦合效应等效为互感、互电容等寄生电路参数后进行量化分析;文献［5］用简化的解析算式对Buck变换器主电路辐射磁场进行预测。

文献［6］则利用ANSYS有限元软件仿真开关电源的近场。

虽取得了以上研究成果，国内外对开关电源的远场电磁辐射机理尚少有研究。

特别是，开关电源本身结构复杂、其电磁辐射瞬态过程明显，使得远场辐射的准确研究较为困难。

电磁仿真常用的有限元方法基于单频点计算，其在EMC宽频应用时较为不便，而
基于时域计算的时域有限差分(FDTD)法可在脉冲激励下，通过将一次计算结果进
行傅里叶变换，即可获得宽频信息［7］。

此外，FDTD也易于嵌入集中元件模型，进行混合电磁仿真［8-10］，因此适于结构和功能均较复杂的开关电源远场电磁
辐射的仿真研究。

本文利用X-FDTD软件工具，在对反激式开关电源电容、变压
器等无源器件、二极管等有源器件、PCB连线、输入/输出电缆较准确建模的基础上，得到反激式开关电源的FDTD模型并仿真，进而研究该电源远场辐射的空间
分布特性，考察了其主要影响因素，最后仿真研究了共模电感对远场辐射发射的抑制作用。

图1 反激式开关电源基本结构Fig.1 Main circuits of a flyback power supply
2 反激式开关电源及其FDTD建模
本文研究的反激式开关电源主电路结构如图1所示。

220V单相交流电经输入电缆先工频整流预稳压，然后通过高频反激变换，在变压器的副边降至10V，再经输
出电缆给电阻负载提供35W功率。

该开关电源的主要元器件包括电解电容 C1、
C2、变压器T、场效应管M、高频整流二极管D，此外还有PCB连线、输入/输
出电缆等。

控制电路为 UC3842芯片，其输出脉冲频率58kHz，占空比为34%。

FDTD方法本质上是通过电场与磁场在空间、时间上的差分递推来实现的，其利用Yee网格剖分将场域离散化为网格节点集合，并以各离散点函数的差商来近似替代该点的偏导数，从而将Maxwell偏微分方程转化为相应的差分方程组求解［7，9］。

XFDTD即为一款优良的宽频电磁分析软件工具，其具有方便的几何/网格建模、RLC集总元件及激励源设置、准确的近远场变换及良好显示效果等优点，适
于电磁辐射的研究。

在实际开关电源的FDTD仿真研究中，由于开关电源的元器
件不仅类型多，而且电容、电感、晶体管等部件的结构复杂、体积小，加之远场电磁辐射发射涉及的空间大(半径大于3m)，因此存在建模困难、仿真易发散等难点。

为此，在开关电源的FDTD建模中首先要根据元器件的实际情况建立起合理的模
型;此外，还需协调元器件建模精度与空间远场辐射仿真发散性的矛盾，以使仿真结果准确、计算稳定。

3 开关电源元器件的FDTD建模
本开关电源中除结构相对简单的PCB连线、输入/输出电缆外，更多的是电容、变压器等结构复杂的无源器件以及晶体管、二极管等结构和功能更复杂的有源器件。

上述器件中，电容极板导体间距小于0.05mm，变压器绕组层间距仅0.15mm，晶体管PN节的物理尺寸更小、媒质特性也非线性，因此对这两类器件按其实际物理结构、媒质特性进行建模几乎是不可能的。

在本研究中采用将这些元器件的端口电路参数与辐射发射作用相结合的办法来处理，即对元器件主要结构建立起几何模型，对元器件中体积小、结构复杂的部分建立起集总参数模型，再将集总模型和几何模型结合在一起，得出器件的整体模型。

下面对各部件的具体建模方法进行简介: 3.1 无源器件模型
(1)电容器的模型
本开关电源中 C1、C2为电解电容，其核心为内部的多层紧密卷绕结构。

如直接
按此结构建模，不仅生成密绕体的难度大，其极薄的层间距也使后续的Yee网格剖分困难。

对此，本研究采用图2所示的三层圆管结构来模拟多层卷绕结构。

其中，内管、外管为金属电极，中间层为介质层，细圆柱导体为引脚。

建模时，通过调节金属层间距、介质层介电参数，使其电容量等于电容器实测值;通过调节引脚线长度和线径，使其电感等于电容器实测寄生电感;对于漏电阻，采用在引脚根部并联集总参数电阻来近似［10］。

在上述模型基础上，在其外部再添加一个与实际电解电容外型尺寸一致的圆桶形金属外壳，即可建立起电解电容的等效FDTD
模型。

本电源中，C1的电容为185.4μF、寄生电感为 13.5nH、漏电阻为 144
mΩ，C2的电容为908.57μF、寄生电感为8.75nH、漏电阻为60mΩ。

图2 电容器内部结构的模型Fig.2 Internal structure model of capacitor
图3 变压器的几何模型Fig.3 3D model of transformer
(2)变压器的模型
电源中变压器T的磁芯为MnZn铁氧体EC结构，绕组为PS结构，原边3层，副边1层，原副边匝比为58∶3。

磁芯的建模相对较容易，在 XFDTD中按磁芯实际尺寸绘制三维结构，材料属性设为μ为3000的导磁体即可;在绕组建模中，变压
器副边绕组的匝数较小，设计一层螺旋线即可。

原边绕组建模方法类似，仅是匝数多些，具体结构参见图3。

此外，为便于计算，将绕组导线设为“单位导线”性质，即计算时忽略其线径尺寸。

变压器原、副边层间绝缘很薄，仅有0.15mm，原副
边存在寄生电容，且该电容对电磁干扰发射影响很大。

如完全按该层间距尺寸建模，会导致网格剖分困难，本文采用下述方法进行简化处理。

拉大原副边间距至
0.3mm，使剖分容易进行。

为等效原副边的寄生电容作用，实测变压器原副边间
的寄生电容值Cps，将其分成两个值为Cps/2的电容，并将该二电容以集总电容
形式分别加在原、副边的上、下侧处理［10］，具体图略。

3.2 有源器件的模型
本电源中有源器件包括场效应管M和二极管D，它们主要由金属引脚和半导体管
芯两部分组成。

其中，金属引脚的几何结构较简单，可按照实物建模，但半导体管芯的几何结构极小、功能复杂，不易建模。

二极管D的半导体管芯功能相对简单，几何尺寸也小，本文采用将其功能用集总
模型来表示的办法进行等效［9］。

式(1)为该二极管电压、电流的关系式，式(2)
即为据上式得到的二极管 FDTD集总模型的计算式［9］。

将引脚模型几何模型和管芯集总模型结合起来，即得图4所示的二极管模型。

式中，q为电子电量，Ud为二极管端电压，k为玻尔兹曼常数，T为温度。

式中，i、j、k为空间点位置，n 为计算步数，其它同上。

图4 二极管有源器件的模型Fig.4 Diode active device model
场效应管M的管芯功能复杂，其FDTD集总模型不易建立。

故在本研究中，将MOSFET源漏极电压Vds作为激励源处理，具体图略。

3.3 PCB连线及电缆的模型
开关电源中 PCB连线、输入/输出电缆的结构较为简单，按其几何尺寸建模即可。

本文中，输入/输出线缆长度分别为800mm、350mm，其导线设为“单位导线”。

输出线缆末端负载电阻为3Ω，采用集总模型。

在输入电缆的电网侧使用25Ω集
总电阻来等效电网的射频阻抗，具体模型略。

4 开关电源整体FDTD模型与网格处理
按实物布局，将开关电源元器件模型组合起来，即得图5所示的电源总体FDTD
模型。

由于输入/输出电缆较长，图中仅显示了部分线缆。

本仿真中，仿真空间设为将开关电源、线缆置于中间的四方形体，尺寸为
1800*400*400mm，边界设为理想吸收ABS边界。

开关电源一些元器件的结构
分布均匀性很差，而包含输入/输出电缆后的仿真空间很大，加之FDTD单元网格尺寸通常要小于最小激励波长的1/10，为兼顾元器件仿真精度与仿真空间计算效
率的要求，仿真中采用了非均匀网格剖分处理。

即对电源元器件所在空间细剖分、其它位置空间粗剖分。

图5 开关电源整体FDTD模型Fig.5 FDTD model of a flyback power supply
5 仿真结果及分析
设激励源MOSFET管 Vds为幅值100V、频率分别是60MHz、300MHz的正弦波，图6显示了反激式开关电源3m处远场电磁辐射的仿真结果。

可以看出，电
磁场在仿真区域中的幅值空间呈波浪状分布，并且频率越高波峰分布越密集。

图6 远场仿真结果Fig.6 Far electromagnetic field simulation results
为具体分析开关电源远场电磁辐射的主要影响因素，本文用对电源各组成部分分别仿真的办法进行考察。

图7示出了部分结果。

a分图为去掉输入/输出线缆，仅剩
主电路时，在300MHz相同激励下远场电磁辐射的仿真结果，可见波峰的分布明
显减少，与图6b差异较大，电场强度最大值也下降。

图7b则示出了无主电路板，而在输入、输出电缆间施加同频正弦波激励时远场电磁波的分布，可见更多波峰出现，与图6b的场强及分布接近。

由上可判断输入/输出线缆对远场辐射有较大影响。

图7 不同结构部分的仿真结果Fig.7 Far field simulation results under different components
为验证上述分析及抑制远场辐射，本文在输入、输出线缆模型上串入共模电感。

其中，输入线缆加入1μH电感、输出线缆加0.5μH电感。

图8显示了此时远场辐射分布仿真结果，可以看出，这时远场辐射场的分布趋向于仅有主电路的情形，线缆的辐射作用明显被削弱。

这表明在输入、输出电缆上加载适当的射频电感，可有效减小线缆中的共模电流大小，从而降低了其远场辐射强度，这与人们实践经验也是一致的。

图8 输出/输入电缆加共模电感仿真结果，Emax=2.45V/mFig.8 Far field simulation result after inserting two CM chokes on input/output lines
6 结语
本文对一台反激式开关电源建立了FDTD模型，对其远场电磁辐射进行了仿真，
并分析其分布特性和影响因素。

针对电容器、变压器、有源器件等各自结构特点，利用几何模型与集总参数模型结合的方法建立元器件的FDTD模型，协调了仿真
精度和效率。

仿真结果表明输入/输出线缆对开关电源远场辐射影响较大，施加共
模电感可以改善远场辐射。

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