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开关电源电磁兼容性分析-近场建模和实验验证
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摘要：提出的开关电源电磁兼容性分析表明当开关电源的负载变化时，辐射模式、近场空间分布和辐射特性是不同的。根据负载的不同，开关电源显示出磁偶极子或者电偶极子特性。通过精确预测模型计算出的电流、场和实际测量结果进行了比较。
关键词：开关电源，电磁兼容性
1. 前言
自从二十世纪六十年代末期开关电源出现之后，它们的应用已经日渐广泛，以至今天大量的电子设备都使用这种类型的开关电源。因为这类电源存在传导和辐射发射问题，所以关于它的电磁干扰一直受到密切的关注。文献和论文[附录1-3]的第一个方面在许多最近的出版物中都已广泛覆盖，第二个方面是近几年已经有许多研究者将它们的注意力从设备转到了设备的电磁辐射问题上。外部辐射主要是由于流过开关电源电缆线的共模电流引起的[4，5]。除了这篇论文和依据的标准规范之外，如果开关电源的周围有敏感电路诸如电子控制系统，它将是一个严重的内部电磁干扰源。根据IEC草案 22G-WG4-11[6]，开关电源被分为两部分：一个是电源电流流过的“转换部分”，一个是专门对设备进行电子控制的“控制部分”。为了评估开关电源电路附近闭合场的水平，作者已经建立了一种准确的电磁近场预算模型：为了排除由于偶极子方程引起静电荷分布伪突起带来的影响，需要对沿回路路径辐射方程的积分进行专门处理。基于此模型，本文提出了一种电磁近场的电磁兼容分析方法，它根据负载辐射的近场显示电场（高波阻抗）或者磁场（低波阻抗）特性，分析转换部分在不同工作负载情况下的辐射近电磁场。这种电场或磁场的属性和场的分布情况对于选择和设计更合适的屏蔽方案是非常重要的。对建立实验机构下的测量结果和根据电磁场辐射的频谱、辐射方式和场的分布情况计算出的结果进行了比较。
2. 开关电源模型和实验机构
在开关电源中主要的内部辐射电磁干扰源是转换部分包含开关半导体元件（在此例中是MOSFET）、直流电源、步进电感器、滤波电容和负载的主要环路。按照典型布局，一个简单清晰布置的开关电源如下：它的等效电路和空间布线如图1。 MOSFET（IRF440）由等效门电压为Veq=11.5V的电子控制系统电路驱动，它的上升和下降时间分别为trise=750ns和tfall=100ns。由直流电压源KEPCO SF3400反馈提供的直流电压VDC=13V。沿着标准电路板画出了传导路径。滤波电容C和负载并联。流过主环路的差模电流可以根据附录[7]里面的模型计算，这里就不在累述。图2显示了负载电阻Rload=500Ω、开关频率f=75kHz、占空比δ=0.5时，在断开滤波电容C的最坏情况下，流过负载的电流计算值和测量值。电流的频谱曲线可以通过快速傅氏变换算法（FFT）变换得到。
3. 近场计算
在附录[7]已经研究并详细讨论了开关电源转换部分辐射的近场计算方法，为了方便读者，本节简单总结一下。开关电源电路的传导部分被认为是许多理想的辐射偶极子，每个偶极子的长度dl认为是足够短，上面流过的电流近似认为是常数。在圆柱坐标系的场表达式变成[8]：
这里I表示电流，β0表示传播常数，η0表示自由空间的固有阻抗，θ表示方位角。在近场区域所谓的静电项j/β30r3是主要的。它表示在一个独立的偶极子末端计算出来的静电荷场。如果两个偶极子串联且流过同样的电流，在公共末端的静电荷会出现不同的极性，使得它们的静电场抵消。在使用等式（1）静电项j/β30r3是从偶极子中心计算而不是从它的两端（因为在式1中r表示每个偶极子中心和测试点之间的距离）主要当r比较小的时候，由于它们的分布使得总的场不会完全抵消。这会引起非自然增大，导致静电场能过分估计了许多dB值。避免这种错误的方法就是忽略式1中的静电项，直接根据没有抵消的电荷来计算电磁场（例如滤波电容器的引线）。
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