卿文強(qiáng)，張力行，陳明波，路 超

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所 四川 成都 610041）

電磁仿真技術(shù)在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

卿文強(qiáng)，張力行，陳明波，路 超

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所 四川 成都 610041）

基于增強(qiáng)電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)能力，拓展電源設(shè)計(jì)手段及方法，提高電子設(shè)備電磁兼容性能的目的，在電子設(shè)備的電源設(shè)計(jì)及系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)過(guò)程中采用電磁仿真技術(shù)，搭建虛擬設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)，按照GJB151A-1997的標(biāo)準(zhǔn)要求，通過(guò)了國(guó)軍標(biāo)電磁兼容試驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證，證明在電源設(shè)計(jì)中引入電磁仿真技術(shù)，采用規(guī)范法和系統(tǒng)法，能有效降低電子設(shè)備后期電磁兼容性能試驗(yàn)成本，增強(qiáng)整機(jī)電源設(shè)計(jì)能力，提高電子設(shè)備電磁兼容性能，并對(duì)電源設(shè)計(jì)存在的弊端進(jìn)行了分析，同時(shí)闡述了電磁仿真技術(shù)的功能和作用。

電源設(shè)計(jì)；電磁仿真；規(guī)范法；系統(tǒng)法

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，電子設(shè)備及相關(guān)產(chǎn)品日新月異，已經(jīng)成為人們工作和生活不可或缺的一部分。越來(lái)越多的電子設(shè)備被近距離地安裝于同一空間內(nèi)，從而直接導(dǎo)致了設(shè)備間的相互電磁干擾。同時(shí)，電子設(shè)備的體積越來(lái)越小，在狹小的空間設(shè)計(jì)了大量的大規(guī)模集成電路，這樣將使功能電路間產(chǎn)生更加嚴(yán)重的電磁干擾。為了確保整個(gè)系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠地工作和操作人員的健康，有必要對(duì)電源的電磁兼容性進(jìn)行定量分析和計(jì)算[1]。因此，電路設(shè)計(jì)中的電磁設(shè)計(jì)越來(lái)越受到現(xiàn)代電子工程設(shè)計(jì)人員的關(guān)注和重視，尤其是作為設(shè)備的“心臟”---電源設(shè)計(jì)。電源的電磁特性是進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 現(xiàn)行電源概況和存在弊端

目前在電力電子設(shè)備中常用的電源分為線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源。

線性穩(wěn)壓電源是指在穩(wěn)壓電源電路中的調(diào)整管是工作在線性放大區(qū)。其工作過(guò)程為：將220 V，50 Hz的工頻電壓經(jīng)過(guò)線性變壓器降壓以后，再經(jīng)過(guò)整流、濾波和線性穩(wěn)壓，最后輸出一個(gè)波紋電壓和穩(wěn)定性能均符合輸出要求的直流電壓。

圖1 線性電源電路基本框圖Fig.1 Basic linear power supply circuit diagram

然而電子技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)電源設(shè)計(jì)的要求也越來(lái)越高，線性穩(wěn)壓電源因體積大、效率低、功耗大、溫升高等缺點(diǎn)，已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展需求[2]。因此，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源就應(yīng)運(yùn)而生，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有體積小、重量輕、功耗小、效率高等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了線性穩(wěn)壓電源的不足之處。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源一般分為DC/DC和AC/DC。

圖2 AC/DC開(kāi)關(guān)電源電路基本框圖Fig.2 AC/DC switching power supply circuit diagram of the basic

輸入電為交流電壓的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，從交流電網(wǎng)獲得的交流電在經(jīng)過(guò)整流、濾波電路后形成直流電，通過(guò)高頻PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管將直流電加到開(kāi)關(guān)高頻變壓器初級(jí)上，此時(shí)開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓，再通過(guò)整流濾波輸出直流電壓。輸出部分通過(guò)取樣、比較、放大和驅(qū)動(dòng)等電路對(duì)控制回路進(jìn)行反饋，調(diào)制功率開(kāi)關(guān)管的占空比，得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。

而輸入電為直流電壓的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，經(jīng)變換器變換為單極性脈沖電壓，再經(jīng)輸出濾波電路，即可得到所需的直流電壓。

雖然開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有體積小、功耗小、效率高以及電路形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，但是其基本工作原理決定了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源存在著比較嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題。電源的電磁干擾原因主要有：

1）電源內(nèi)部開(kāi)關(guān)控制及功率轉(zhuǎn)換電路間存在寄生電容及電感，容易產(chǎn)生電磁耦合現(xiàn)象，形成傳導(dǎo)電磁干擾，從而影響設(shè)備及系統(tǒng)的正常工作；

2）放電電路產(chǎn)生的大電流會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)靜態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)，從而影響反饋數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，引起電源自動(dòng)調(diào)節(jié)電路異常；

3）回路地反彈噪聲太大、去耦電容的設(shè)計(jì)缺陷、回路布線面積過(guò)大、多電源系統(tǒng)地平面分割不合理、多層板地層設(shè)計(jì)不合理、負(fù)載電流不均勻等情況都會(huì)導(dǎo)致電源完整性被破壞，可能引發(fā)信號(hào)系統(tǒng)出現(xiàn)亂碼、漏碼、調(diào)制失敗等異常現(xiàn)象；

4）功率開(kāi)關(guān)管的高頻開(kāi)斷模式會(huì)產(chǎn)生高頻電磁噪聲，影響電源輸出品質(zhì)，污染電路回路[3]。

2 電磁仿真技術(shù)的功能和作用

1）可以使用成熟的智能化設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)分析和引導(dǎo)電路設(shè)計(jì)，并可提供對(duì)平面電路進(jìn)行電磁場(chǎng)分析和優(yōu)化的功能；

2）允許工程師根據(jù)實(shí)際情況自定義關(guān)鍵器件工作頻率范圍、材料特性、輔助電路參數(shù)等，可在時(shí)域或者頻域內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真和分析；

3）可以提供面向3D平面高頻電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)以及電磁兼容/電磁干擾設(shè)計(jì)的電磁仿真，并利用多種數(shù)學(xué)方式解決電磁波的不連續(xù)性效應(yīng)、耦合效應(yīng)、輻射效應(yīng)等問(wèn)題；

4） 可以根據(jù)實(shí)際情況提供包括 s、y、z參數(shù)，VWSR，RLC等效電路，電流模擬分布，近場(chǎng)分布和輻射方向圖，場(chǎng)強(qiáng)方向性，效率和RCS等仿真分析[4]；

5）可以進(jìn)行任意三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的高頻電磁場(chǎng)仿真，可以直接得到特征阻抗、傳播常數(shù)、輻射場(chǎng)、天線方向圖等結(jié)果。

3 電磁仿真在現(xiàn)行電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

開(kāi)關(guān)電源中的主要電路由整流濾波回路、激勵(lì)控制電路、輸出監(jiān)控和反饋電路四個(gè)部分組成。其中整流濾波回路部分是高壓組件，其余都是低壓組件。由于開(kāi)關(guān)電源體積小，內(nèi)部電路復(fù)雜，需要找出傳導(dǎo)干擾的主要途徑，對(duì)其中的磁性元器件、電路中的互感和分布電容進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1）針對(duì)電源設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵器件進(jìn)行電磁仿真，如變壓器、激勵(lì)電感、濾波電容等，靈活調(diào)整關(guān)鍵參數(shù)，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多種方案篩選，提高設(shè)計(jì)效率，降低實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成本；

2）通過(guò)對(duì)電路原理圖進(jìn)行理想?yún)?shù)分析，引入實(shí)效性模型仿真，提取電路中的各種寄生參數(shù)及等效阻抗，能夠加強(qiáng)對(duì)去耦電容及濾波電感進(jìn)行定量設(shè)計(jì)，減少經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)[5]；

3）對(duì)電源PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行電磁仿真分析，建立物理模型，對(duì)電源工作時(shí)產(chǎn)生的地電位不平衡進(jìn)行仿真分析，有效地為PCB設(shè)計(jì)提供一個(gè)直觀的參照物，從而減少電源電磁特性設(shè)計(jì)的盲目性；

4）利用PCB整板電磁場(chǎng)掃描設(shè)備，獲得近場(chǎng)分布圖的測(cè)量結(jié)果，將其與電源電磁仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，不斷修正仿真結(jié)果與電源設(shè)計(jì)參數(shù)，提高電源電磁仿真的實(shí)際吻合度，同時(shí)與電磁兼容試驗(yàn)室測(cè)試曲線進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，找尋其頻域或時(shí)域規(guī)律；

5）根據(jù)對(duì)不同布局布線設(shè)計(jì)的印刷電路板電磁仿真結(jié)果的分析，合理選擇布局設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化電流回路途徑，減小線間空間耦合，修正完善電源PCB設(shè)計(jì)，對(duì)印制板中的電磁串?dāng)_進(jìn)行有效抑制。

6）分析仿真結(jié)果，繪制等效電路圖，剖析電路機(jī)理，有效減小或消除電源電路中的串?dāng)_電壓、脈動(dòng)電流等有害參數(shù)，降低電源電磁輻射。

4 電磁仿真在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景

電子產(chǎn)品集成度日益提高，電源也面臨更高的功率密度、更低的待機(jī)功耗、更多的功能需求。同時(shí)，數(shù)字化電源技術(shù)也日趨成熟，電源不再是一個(gè)純模擬電路集成體，而是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電路和模擬電路綜合體，因此必須以規(guī)范、系統(tǒng)的方法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。電磁仿真能在電源設(shè)計(jì)初期對(duì)復(fù)雜電源設(shè)計(jì)中的電磁問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)理論分析及電路分析，模擬電源產(chǎn)生電磁干擾的原因，提出抑制電源電磁干擾的措施建議，包括減少干擾源的干擾幅度、破壞及減弱干擾噪聲傳播路徑、合理安排敏感電路和元器件、采取區(qū)域屏蔽等，為電源工程師前期設(shè)計(jì)提供參考。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)電源設(shè)計(jì)的電磁仿真技術(shù)進(jìn)行了一定程度的的研究，但是在實(shí)際實(shí)施階段仍然存在著一些不足。比如在預(yù)測(cè)PCB上由印制導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的近場(chǎng)與輻射干擾時(shí)，我們所加的激勵(lì)源是理想的信號(hào)源，而實(shí)際上的情況要復(fù)雜得多。又例如開(kāi)關(guān)管從Ton轉(zhuǎn)換到Toff時(shí)形成的關(guān)斷電壓尖峰、二極管的反向恢復(fù)電流、電感的儲(chǔ)能效應(yīng)等，而這些器件及電路的非理想特性導(dǎo)致了電磁干擾的形成。因此，電磁仿真技術(shù)在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要堅(jiān)持規(guī)范法和系統(tǒng)法。

規(guī)范法是要求每個(gè)功能電路設(shè)計(jì)或電源分系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須遵循預(yù)先規(guī)定的設(shè)計(jì)原則，按照己經(jīng)頒布的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行板級(jí)供電電路、設(shè)備電源、系統(tǒng)供電的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試。其中的設(shè)計(jì)原則和標(biāo)準(zhǔn)是從實(shí)踐試驗(yàn)中提煉出來(lái)的，具有一定技術(shù)普遍性，能夠在一定程度上提高電源設(shè)計(jì)質(zhì)量，預(yù)防電磁噪聲問(wèn)題的出現(xiàn)。而且實(shí)現(xiàn)這些原則和標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)手段也相對(duì)通用，所以規(guī)范法是電子設(shè)備電源設(shè)計(jì)時(shí)采用較多的方法。

系統(tǒng)法是利用電磁預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型和試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，從開(kāi)始就預(yù)測(cè)和分析設(shè)備電源和供電系統(tǒng)的電磁特性，并在設(shè)備電源或系統(tǒng)供電的方案論證、研制設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)定型等階段不斷進(jìn)行電磁特性分析和預(yù)測(cè)，修正電源設(shè)計(jì)措施，以達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)電源變換器產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)于解決系統(tǒng)級(jí)的電磁兼容性問(wèn)題有較強(qiáng)的實(shí)際意義。

在某型通信設(shè)備正樣的研制過(guò)程中采用了規(guī)范法和系統(tǒng)法進(jìn)行電源及供電回路設(shè)計(jì)，在初樣設(shè)備研制及試驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了電磁仿真數(shù)學(xué)模型，通過(guò)模型仿真對(duì)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)及技術(shù)修正，在器件選型階段就充分考慮其電磁特性，并對(duì)整機(jī)設(shè)備生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行技術(shù)約束，最后整機(jī)設(shè)備在電磁兼容性能方面與初樣比較，EMC試驗(yàn)效果有顯著提升，下面為輻射發(fā)射對(duì)比圖例：

圖3 電磁兼容性能測(cè)試曲線對(duì)比Fig.3 Comparison test of electromagnetic compatibility of the curve

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出規(guī)范法和系統(tǒng)法在工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中的實(shí)際效果。而系統(tǒng)法的工作是在規(guī)范法的基礎(chǔ)上逐步建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此必須通過(guò)測(cè)試積累一定數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)，所以大數(shù)量級(jí)的電源設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和數(shù)據(jù)分析是系統(tǒng)法必須要注意的地方，也是系統(tǒng)法可靠實(shí)施的關(guān)鍵。

5 結(jié)束語(yǔ)

電磁仿真技術(shù)在電源設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠有效的抑制電磁干擾，推進(jìn)設(shè)備電源真正實(shí)現(xiàn)小型化、智能化、數(shù)字化的目標(biāo)，進(jìn)一步完善供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)，深入發(fā)展電源設(shè)計(jì)技術(shù)機(jī)理，強(qiáng)化電源設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)作用，提高電路回路中的電源信號(hào)完整性。因此加強(qiáng)電磁仿真技術(shù)在電源設(shè)計(jì)中的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，是電源設(shè)計(jì)拓寬自身技術(shù)領(lǐng)域的方向之一。

[1]何勇，陳德懷，林福昌，等.強(qiáng)激光脈沖電源電磁干擾的仿真與測(cè)試[J].強(qiáng)激光與粒子束，2005，17（6）:922-924.

HE Yong，CHEN De-huai，LIN Fu-chang，et al.Simulation and measurement of electromagnetic interference in a pulsed supply of high power laser[J].High Power Laser and Particle Beams，2005，17（06）:922-924.

[2]王延安，肖登明，劉帥，等.靜電除塵用大功率直流高壓電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)[J].高壓電器，2009，45（4）:77-81.

WANG Yan-an，XIAO Deng-ming，LIU Shuai，et al.EMC design of high voltage high power DC power supply for ESP[J].High Voltage Apparatus，2009，45（4）:77-81.

[3]吳昕，錢(qián)照明，龐敏熙.開(kāi)關(guān)電源印刷電路板電磁兼容問(wèn)題的研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2001，23（2）:181-186.

WU Xin，QIAN Zhao-ming，PANG Min-xi.Study in electromagnetic compatibility on printed circuit board of switching powersupply[J].Journal of Electronics and Information Technology，2001，23（2）:181-186.

[4]張志剛，林福昌，王少榮，等.強(qiáng)激光脈沖電源遠(yuǎn)控裝置的電磁兼容設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2007，33（3）:132-135.

ZHANG Zhi-gang，LIN Fu-chang，WANG Shao-rong，et al.Electromagnetic compatibility design of remote control device for a pulsed supply of high power laser[J].High Voltage Engineering，2007，33（3）:132-135.

[5]孟進(jìn)，馬偉明，張磊，等.開(kāi)關(guān)電源變換器傳導(dǎo)干擾分析及建模方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（5）:49-54.

MENG Jin，MA Wei-ming，ZHANG Lei，et al.Method for analysis and modeling of conducted EMI in switching power converters[J].Proceedings of the CSEE，2005，25（5）:49-54.

Electromagnetic simulation technology in the application of the power supply design

QING Wen-qiang， ZHANG Li-xing， CHEN Ming-bo， LU Chao
（Institute of China Electronics Technology Group Co.LTD.30， Chengdu 610041， China）

In order to enhance the capacity of the power source design of electronic equipment，expand the power design means and methods，improve the performance of electronic equipment electromagnetic compatibility of electronic equipment in power supply design and system power supply design in the process of using electromagnetic simulation technology，virtual design verification platform，in accordance with the standards of GJB151A-1997 requirements，through the military specifications EMC lab test validation，proved that introduce the electromagnetic simulation technology in power supply design，using the specification method and the method of system，can effectively reduce the electromagnetic compatibility of the electronic equipment in the late test cost and enhance the capacity of the machine power supply design，improve the electromagnetic compatibility of electronic equipment，and analyzes the insufficiency of power supply design，at the same time，this paper expounds the function and role of electromagnetic simulation technology.

Power supply design； electromagnetic simulation； specification method； system method

TN99

A

1674-6236（2014）15-0143-03

2013-11-07 稿件編號(hào)：201311066

卿文強(qiáng)（1979—），男，四川成都人，工程師。研究方向：電源技術(shù)及電磁兼容技術(shù)。