开关电源散热器的辐射发射

开关电源散热器的辐射发射
第20卷第2期2005年4月电波科学学报CHINESEJOURNALOFRADIOSC:IENCEVo1.20.No.2April.2005文章编号1005—0388(2005)02—0241—06开关电源散热器的辐射发射’路宏敏梁昌洪李晓辉薛梦麟(1.西安电子科技大学电子工程学院,hmlu@,陕西西安71007l2.北京电子工程研究所,北京100854)摘要开关电源电路中,接地散热器提供了一条共模骚扰高频谐波电流的通路,使共模传导电磁干扰增加;非接地散热器切断了共模传导电磁干扰的通路,但增强了散热器辐射发射,射频辐射的增强能够引起设备误操作或者违反目前的电磁兼容性标准.文中分析功率开关管散热器产生辐射发射和共模传导电磁干扰的机理.采用有限元方法,通过电磁场数值计算,探讨非接地散热器的几何形状,尺寸和安装方式对其辐射发射的影响.数值计算结果表明:散热器面积越大,高次谐波频率越高,辐射电场幅值就越大,但是辐射电场幅值与散热器面积,高次谐波频率无线性关系;相同面积的散热器中,圆形散热器的散热效果最佳,辐射电场最小.因此,开关电源设计中,应根据散热效果,辐射EMI和共模传导EMI,综合考虑散热器面积,形状的选择,以及散热器是否接地.关键词开关电源,电磁兼容,散热器,辐射发射中图分类号TM152;TN03文献标识码ARadiatedemissionsfromheatsinksinSMPSLUHong-minLIANGChang-hongLIXiao-huiXUEMeng-lin(1.SchoolofElecttheswitchmodepowersupply,whichwillstrengthentheconductedEMI.Inversely,Thepathiscutoutbyanon—groundheat—sink,butthenon—groundheatsinkmayenhancetheradiatedemissions.andsuchenhancementoftheradiofrequencyradiationcouldcausetheequipmenttomalfunctionorcontravenecurrentEMCstandards.Inthispaper,themechanismofaradiatedemissionandcommonmodeEMIfromanon—groundheatsinkintheswitchmodepowersupplyisanalyzed.Theeffectsoftheshape,size.andinsta11a—tlonform0{thenon—groundheatsinksontheradiatedemissionsareexplorednu—mericallybymeansofthefiniteelementmethod.Itisshownthatthe1argerthenon—groundheatsinkarea,andthehigherthefrequencyofharmoniccurrents.thehigherthemagnitudeoftheradiatedemissions,butitisnotlinear.Andthecircu—larheatsinksaretheoptimuminthecoolingefficiencyandtheweakestinenhancing-收稿日期:2004—01—17.(51411030204DZ01)基金项目:国家自然科学基金资助项目(60372044);装备预研基金资助项目241242电波科学学报第2O卷theradiatedemissions,comparedtotheothershapeheatsinksofthesamearea.Soarecommendationismadeconcerningtheselectionoftheoptimumgeometricalshapeandareaofanon—groundheatsinkviathecompromiseofaradiatedemission,commonmodeEMI,andcoolingefficiency.KeywordsSMPS,EMC,heat—sink,radiatedemission1引言电源是各种电力,电子设备必不可缺的组成部分,其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及其能否安全可靠地工作.目前常用的直流稳压电源分线性电源(LinearPowerSupplies)和开关电源(Switched—ModePowerSupply:SMPS)两大类.与线性稳压电源相比,开关电源以其体积小,重量轻,效率高,适应性强,可靠性高等优点,在工业,军事,生活领域获得了广泛应用.然而,开关电源电路中,功率开关管以高频开关方式工作,开关电压及开关电流均接近方波,从频谱分析可知,方波信号含有丰富的高次谐波【2].同时电源变压器的漏电感及分布电容,功率开关管,整流二极管,续流二极管的工作状态非理想,电阻器,电感器和电容器的非理想工作特性等,都会导致开关电源产生电磁干扰n.因此,研究开关电源的EMI(电磁干扰)与EMC(电磁兼容性)问题具有十分重要的工程意义.开关电源的EMI包括传导发射和辐射发射,传导发射又可以分类为共模传导发射和差模传导发射.开关电源电路和类似晶体管化电路中,散热器的寄生电容给共模电流提供了一条通路.一个典型的开关电源原理电路如图1所示n],如果散热器接地,那么功率开关管的金属管壳与散热器间的寄生电容就为共模电流提供了一条通路,返回到交流电源地线的共模电流就会增加,从而使传导EMI加重【8;相反地,不接地的散热器,虽然切断了共模电流的通路,减小了共模电流的传导发射,但同时高频开关电流会流到散热器上,使散热器成为一个电压激励的天线L6,从而增加了辐射EMI.从物理概念上看,减小散热器的尺寸就可以减小功率开关管的金属管壳与散热器间的寄生电容,从而降低散热器的辐射EMI.但是,减小散热器的尺寸也同时降低了散热器的散热效率,不利于功率开关管的可靠工作.所以,散热器的散热设计和EMC设计是涉及共模传导EMI,辐射EMI和冷却效率的一个重要设计问题.文献[5～9]应用FDTD法分析了超大规模集图1功率开关管与散热器之间的寄生电容成电路散热器的电磁辐射特性,结果表明不接地的散热器增强了辐射EMI.在开关电源电路中,散热器通常比功率开关管的金属管壳大的多,应用基于有限元法的典型仿真软件AnsoftHFSS分析散热器的几何形状,尺寸,管壳尺寸和散热器安装方式,对辐射EMI的影响.2散热器的辐射散热器的激励电压依赖其表面上积累的电荷量Q.,电荷量与漏极一源极电压U一及散热器与开关器件间的电容C相关,即Qo—C?U扣因此,如果散热器接地不适当,减小散热器与开关器件间的电容C,能够降低散热器的激励电压口.然而,依据天线理论,散热器的辐射只能够采用散热器表面的时变电流或者时变电荷解释.散热器与开关器件间存在的杂散电容C和时变漏一源电压dUd--s/dt产生流经散热器的共模电流为一C换句话说,散热器与开关器件间存在的杂散电容传递高频谐波至金属散热器的表面.散热器表面的分布电流谐波,在近区产生场,在远区产生辐射.波长远大于短偶极天线长度(》L),距离远大于短偶极天线长度(r》L),短偶极天线的电场辐射为Eo—jz??sin0?e第2期路宏敏等:开关电源散热器的辐射发射243式中L是短偶极天线长度,r是观察点到偶极天线的距离,I是偶极天线上的激励电流,Z是波阻抗(自由空间为377~),k是传播常数.对于PCB的印制导线和两根平行导线,叠加两幅短偶极天线辐射的场,能够推出一个简单的发射公式[1,最大发射公式是一1.25×10一IcfLr-.,c.mx———————————一r式中I.是共模电流,L是导线长度,r是观察点到导线的距离,,是共模电流的频率.与两根平行导线最大发射公式类似形式的,散热器辐射特性的精确解析表达式不能够获得,因为散热器自身物理结构的复杂性所致.因此,提供近似解答的数值方法就成为重要的EMI预测工具.3散热器的计算模型开关电源中,功率开关管主要采用功率场效应晶体管MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)或者绝缘栅双极晶体管IG—BT(InsulatedGateBipolarTransistor),开关频率从20kHz到400kHz.开关管的漏一源极电压一波形的特点是其电压变化率(d一/dt)很高,受电路中其它元件分布参数的影响,其波形是具有振铃的梯形脉冲,振铃即衰减振荡的频率范围为3～30MHz.为了简化分析,将开关管的漏一源极电压U一看成一个脉冲发生器,它经开关管金属外壳与散热器之间的寄生电容连接到散热器上,散热器通过电路参考接地与散热器之间的寄生电容以传导共模电流方式流人参考地,最终流到与机壳地相连接的交流电源的保护地线中,从而产生共模传导EMI,如图2.这一简化模型没有考虑导线的寄生电感,单向二极管的作用等的影响,因此漏一源电压一的波形成为理想的梯形波形.图2散热器如同电压源激励的天线考虑散热器不接地的情况,假设散热器以一个导电的金属立方体为模型.,开关管金属外壳以二维有限导体平面为模型,散热器的尺寸比管壳的尺寸大,散热器与管壳间的电场为均匀分布,忽略散热器与管壳构成的寄生电容的边沿效应[g.实际工程应用中,管壳(或者集成稳压器的小散热片)与散热器间通常附加云母绝缘衬垫或者导热硅脂,以减小热阻,这些绝缘层的厚度为毫米级,数值模拟中取其值为2mm.散热器与开关管金属外壳间以电压源激励,电压源是幅值为1V的正弦信号源,频率为0.2GHz～2GHz,置于散热器的中心,如图3所示.这样散热器就相当于有限导电平面上的一个电磁辐射器,与有限导电平面上的单极天线类似口.图3数值计算模型为了验证模型的有效性,选取文献[6]的散热器几何结构和尺寸,应用基于有限元法的典型仿真软件AnsoftHFSS进行仿真研究,获得的辐射方向图如图4所示(电压激励源频率f一4.2GHz)..900z.aof’/\～一,\/.2/.150\50图4辐射方向图相同散热器文献[6]给出的FD’I,D仿真辐射方向图(频率f一4.2GHz,实线图)和实测辐射方向图(频率f一4.5GHz,虚线图)如图5所示.比较244电波科学学报第20卷图4与图5可见,两幅图的模拟辐射方向图此,散热器仿真模型有效.10z/\———/图s文献[61给出的辐射方向图4模拟结果与分析.致,因是因为导电平面的大小同散热器的尺寸30mm×25mm×2mm相比并不大,其向散热器一侧”转移”辐射能量的效果并不明显.考虑散热器相当于有限导电平面上的一个电磁辐射器,与有限导电平面上的单极天线类似.应用基于有限元法的典型仿真软件AnsoftHFSS模拟散热器的电场辐射,进行仿真研究.激励电磁辐射器的电压源为幅值1V,频率0.2GHz~2GHz的正弦信号源,置于散热器的中心.对于B级产品,FCC辐射发射的测量距离(骚扰源至受扰体的距离)为3m,故观察点假设距散热器中心3m.选择散热器的不同形状,尺寸,散热器安装方式,开关管外壳尺寸和激励源的频率,分析散热器的电场辐射发射,结果如下所述.图6为散热器尺寸对辐射电场幅值的影响.选择四个不同尺寸的立方体散热器A,B,C和D,它们的几何尺寸从小到大分别为A:12mm×8mm×6mm,B:30mm×25mm×2mm,C:100mm×80mm×2mm,D:150mm×120mm×2mm.有限导电平面尺寸为20mm×15mm.计算结果表明,频率大于1GHz的高频激励,散热器尺寸越大,辐射电场幅值就越大,这与文献r93的结论一致.但是辐射电场幅值的增加,与激励源频率,散热器尺寸的增加无线性关系.图7为有限导电平面尺寸对辐射电场幅值的影响.选择散热器的尺寸为:30mm×25mm×2mm,有限导电平面尺寸分别为A:20mm×15mm和B:40mmX30mm.可以看到不同大小的有限导电平面对辐射电场幅值的影响没有明显的差别,这主要图6散热器尺寸对辐射电场幅值的影响图7有限导电平面尺寸对辐射电场幅值的影响图8为散热器形状对辐射电场幅值的影响.选择三个厚度相同,平面形状不同的散热器,它们的尺寸分别为长方形:30mm×25mm×2mm,正方形:25mm×25mm×2mm,半径为14.1mm,厚度为2mm,与正方形同面积的圆形.有限导电平面尺寸为20mm×15mm.可以看出长方形散热器的辐射图8散热器形状对辐射电场幅值的影响第2期路宏敏等:开关电源散热器的辐射发射245电场最高,其次是正方形的散热器,再次是圆形散热器.正方形散热器比长方形散热器的辐射电场小,这一结果与文献Es]的研究结果一致.圆形散热器辐射电场幅值最低.从散热效果看,散热器制造成圆形或者正方形比较理想m].若受条件限制必须制成长方形时,长,宽比不得大于2:1.综合考虑,圆形散热器的散热效果,电磁兼容性最佳.图9为散热器安装方式对辐射电场幅值的影响.计算中选择有限导电平面,尺寸为20ram×15mm;平行于导电平面的散热器,其尺寸为30mm(长)×25mm(宽)×2ram(高);然后将其竖直放置,构成垂直于有限导电平面的散热器,其尺寸为2ram(长)×25ram(宽)×30ram(高).从图可以看出,与垂直于有限导电平面的散热器产生的辐射电场幅值比较,平行于有限导电平面的散热器产生的辐射电场幅值小.图9散热器安装方式对辐射电场幅值的影响5结论功率开关管的散热器或者单片开关电源的小散热片是保证开关电源正常工作的必要条件之一,散热器的面积越大,其散热效果越好.但是,散热器面积的增加使辐射EMI加重.文中创建了功率开关管散热器的仿真模型,应用基于有限元法的典型仿真软件AnsoftHFSS模拟散热器的电场辐射,分析了功率开关管散热器产生辐射发射和共模传导电磁干扰的机理.探讨散热器的面积,形状,安装方式,以及管壳(单片开关电源的小散热片)面积对辐射电场幅值的影响.数值计算结果表明:散热器面积越大,高次谐波频率越高,辐射电场幅值就越大,但是辐射电场幅值与散热器面积,高次谐波频率无线性关系;相同面积的散热器中,圆形散热器的散热效果最佳,辐射电场最小;与垂直安装的散热器比较,平行安装的散热器辐射电场小;功率开关管管壳的面积对辐射电场影响不大.所以,开关电源设计中,根据散热效果,辐射EMI和共模传导EMI,综合考虑散热器的面积,形状时,圆形散热器最佳,正方形散热器次之.参考文献[1]ClaytonRPau1.Introductiontoelectromagneticcorn—patibility[M].NEWYORK:johnWiley&Sons,Inc.,l992.[2]路宏敏.工程电磁兼容[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.[3]MKWWuandCKTse.AreviewofEMIproblemsinswitchmodepowersupplydesign[J].JournalofE—lectricalandElectronicsEngineering,Australia,l996,l6(3):l93～204.[4jMHNagrialandAHellany.EMI/EMCissuesinswitchmodepowersupplies(SMPS)[C].EMCYork99,lEEConferencePublicationNo.464,l999,PP.18O～l85.[5]NickJRyan,BarryChambers,andDSStone.FDTDmodelingofheat—sinkRFcharacteristicsforEMCmiti—gation[J].IEEETransactionsonElectromagneticCompatibility,2002,44(3):458～465.[6]NJRyan,DAStoneandBChambers.ApplicationofFD-TDtothepredictionofRFradiationfromheat—sinks[J].ElectronicsLetters,1997,33(17):1443～l444.[7jKevinLi,CheckFLee,SoonYPoh,etnZ..Applica—tionofFDTDmethodtoanalysisofelectromagneticra—diationfromVLSIheatsinkconfiguration[J].IEEETransactionsonElectromagneticCompatibility,1993,35(2):204～2l4.[8jJFDawson,ACMarvin,ANothofer,etnz..TheeffectofgroundingonradiatedEmissionsfromheat—sinks[C].ProceedingsofIEEEInternationalSymDo—siumonEMC,200l,Vo1.2,pp1248～l252.[9jColinEBrench.Heatsinkradiationasafunctionofge—ometry[C].ProceedingsofIEEEInternationalSym—posiumonEMC.Chicago,IL,199lectromagneticcompatibilityinpowere—lectronics[M].NEWYORK:IEEEPress,l995.[11]sKDas,TRoy.Aninvestigationonradiatedemis—sionsfromheatsinks[C].ProceedingsofIEEEInter—nationalSymposiumonEMC,1998,Vo1.2,pp