开关电源PCB的近场EMC预测优化设计简析

开关电源PCB的近场EMC预测优化设计简析

曾,森 ,李绍健 ,霍剑文

广东省珠海市格力电器股份有限公司  广东 珠海  519000

摘要：在对电子装备的制造当中，大多数都是在复杂的电子环境中进行制造的。在现代化科学技术迅速发展的背景下，开关电源这种非线性负载的电子设备运行模式，也被广泛的应用在低压的配电系统中。这也是由于开关电源在工作当中具有效率高、功耗少能相关性能，更好的抑制由于电路板设计造成的电磁兼容问题。这类的电磁兼容（EMC）问题，不仅在工作中干扰自身电子设备的工作运转，同时也会对整个电磁环境产生对应的影响。因次，文章基于开关电源的PCB设计中引起的近场EMC问题，在优化设计上进行合理的预测简析展开探讨。

关键字：电源PCB；EMC优化；预测设计

前言

近年来随着我国来关电源技术的断发展，该技术已经广泛应用于我国各类电子产品的发展中，在发展过程中形成的电磁干扰问题也受到相关研究者的广泛关注，因此对开关电源电磁干扰问题的研究方法也呈现日趋活跃的状态。在我国绿色理念的发展背景下，发展功耗低、效率高、体积小的绿色开关电源已经成为行业的发展趋势，在复杂的电磁场环境内对PCB也提出了更高的EMC相关设计要求。在传统的方法中要想对EMC进行有效的分析，要消耗的资源量十分大、对应的分析周期也特别长。因此，要想实现对EMC的有效优化，就要在整体上优化PCB的布局走线，提高在PCB设计中的EMC特性。

1 开关电源印制电路板PCB概述

在我国目前的电子设备的运转中，任何一个设备在开关电源的设计当中印制电路板（PCB）在物理设计上都是整个电子设备的最后一个设计环节，这也要求在对PCB板的设计要有一定的规范性，如果在设计方法上不当，那么PCB板可能会由于造成辐射过多，形成的电磁干扰，直接造成电子设备开关电源工作不稳定的现状。因此，在整个PCB的设计当中，首先要建立对应的元件参数，满足电气安全要求规范。并且为了更加方便对PCB板的操作和生产，在要求间距上也要适当的加宽，在最小间距上，也要保障能够承受适当的电压。经过调研显示，很多电子设备中的原件布局上，即使在很多电路原理图设计正确的情况下，由于印制电路板的设计不当也会对电子设备的安全性直接造成不良的影响。假设两条印制电路板的平行线靠得非常近，则会很容易造成电子设备信号的延迟，形成反射噪声。除此之外，这种由于电源等因素造成的电磁干扰，也会令电子设备的产品性能极大程度的下降。因此，在实际上对电源开关的印制电路板进行设计时，应该采用正确的设计方法，保障开关电子设备的有效运转。

2 开关电源PCB与电磁兼容EMC

在电子设备的制造发展当中，首先要知道电子设备本身就是很严重的电子干扰源，他们在对电子设备的开关电源的利用当中处于高速的工作状态，因此也造成了设备在工作中电压、频率增强，这些高频能量产生的电磁干扰的危害也十分难以控制。但在实际的设计当中，越来越多的企业管理者要求对电子设备的开关电源追求高频率、低成本的建设目标，这也将导致电子设备内部的电磁干扰环境更加复杂，所产生的电磁兼容（EMC）问题也就呈逐渐增加的趋势。为了能够减少电子设备间的相互干扰，营造良好的电子设备设计环境，很多国家都在相应的政策上制定了自身的EMC标准，并且随着这些标准政策的不断落实，电子产品的电磁兼容性也越来越受到大众的重视。那么产生电磁干扰的主要因素主要分为干扰源，传播途径和敏感设备三个主要特点，即开关电源的电磁兼容性设计。解决这些问题不仅要在源头上分析干扰源的特点和性质，找到干扰源的位置，同时也要在另一方面解决电磁干扰的传播途径，抑制噪声的产生。因此，利用开关电源中的印制电路板设计对电子设备中的电磁兼容问题进行预测分析，了解PCB板的分布趋势，不仅能够在对EMC的优化决策上起到很强的指导作用，同时根据PCB板在高频模式下的近场辐射分布图，对整个印制电路板的布局走线进行优化，也能够实现全面提升PCB的EMC性能的发展目标【1】。

3 PCB电磁辐射干扰分析

3.1 电磁场仿真原理

在电磁场的理论当中包括电场和磁场两个模块儿体系，这两个体系的特征变化取决于天线发射的距离。因此在距离上也经常划分为两个部分，分别为近场区和远场区，那么在通常情况下，近场区的电磁场范围是从天线开始计算到第一个波长2π的距离，不难看出在近场区的电磁场强度中有着较为强烈的反应。那么造成电磁场对设备的干扰往往是由于在设备上的操作以及相关人员在利用移动网络产品时所产生的电磁干扰，例如无线电台等物品，都会产生强烈的电磁场干扰。所以在对电磁兼容进行优化时首先应该重点考虑对近场区辐射干扰上的防护。

Ansoft是一款应用非常广泛的电磁场仿真软件，它在运算的过程中运用了有限元离散形式的计算方法，将整个电子设备中的空间连续电磁场计算转变，为离散的矩阵。同时，这个软件还能够根据用户的需求来建立对应的3D建模，拥有强大的参数设计与仿真功能，对PCB板文件进行无缝对接，提高EMC的优化设计。

3.2 电磁场差模辐射

在电磁兼容辐射干扰的主要问题来源中，首先是来自于电路中由于电流突变产生的电磁场变化。那么差模辐射作为辐射干扰源的一种，在原理上也是由于电路中传送电流的导线所形成的环路而产生的，这些环路也相当于电磁场辐射的小型天线。并且由于电子设备在工作中的电流频率很高，很多电子的相关器械需要在短时间内进行高频率的快速通断，这也导致电子设备中的电流和电压通过高频率的方式进行不断的变换，导致电磁变换的产生，并且会向外辐射电磁波和射磁场。所以，即使电流环路的运转是整个电子设备在正常工作中所必须需要的，但是为了限制辐射的发射，必须在对PCB板的整体设计中，对环路的尺寸与面积进行整体上的控制。在整个布线的布局上,保障各部分的电路相互之间无干扰，达到相关标准的需求【2】。

图1 PCB差模辐射示意图

3.3 电磁场能量

由于电磁场的存在，在客观上是属于一种特殊运动形态的物质，很多相关的实践也证明了电磁场在运动当中是具有相对的能量的，并且在分布上也存在一定的规律性。当电磁通过特定的因素进行传播或者发生电磁辐射时，所谓的电磁场能量也能通过类似水流的方式进行传播，直接决定了电子设备的强度。除此之外，电磁场能量在理论上是具有涌动性的，所以电磁场的能量并不是固定在特定的空间点上，而是随着电磁场的不断变换，来在空间内部进行能量传播。所以在同一个电磁场当中，想要实现对EMC的预测优化也十分困难。

4 在开关电源PCB中EMC的优化设计

4.1 ＰＣＢ近场辐射仿真分析流程

在整个PCB板图近场辐射建模的过程中，首先要在Ａｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ中绘制对应的PCB板原理图，生成对应的PCB板图。同时，也要在Ａｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ 去案件中建立对应的PCB板仿真模型，并在模型当中设定对应的扫描参数选择激励源。其次就是对仿真分析中得到的近场图进行对应的EMC分析，通过分析的结果选择是否需要对PCB版图进行对应的优化。如果不需要优化，那么就完成了整个近场辐射的仿真建模；如果需要优化，那么就要根据分析结果对PCB板图进行相关的优化。同时，也要注意在生成版图的过程当中，对于输出的格式文件要运用DXF格式的文件。最后，在模型的建立当中要调整好各层之间的顺序以及厚度，保证整个流程的顺利实施。

图2 PCB近场辐射仿真分析流程图

4.2 ＰＣＢ近场辐射建模

对于开关电源中PCB版图进场辐射的建模当中，主要的关注元素还是在高频率下电子设备之间的辐射干扰，并根据相关的政策标准在辐射干扰的测试上，也要在一定的频率内进行。由上文可知，在Ａｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ软件中完成对成元器件的布局以后，对PCB版图的布线导入Ａｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ生成对应的三维网络仿真模型。并根据高频率的工作特性设定对应的电流激励源，网格初始化并固定为固定的网格状态，按照线性的规律进行采样，步长为100ＭＨｚ。

图3 电磁场辐射能量趋势图

4.3 ＰＣＢ布局走线优化设计

在整个PCB板图的布局方面，首先应该围绕电子设备功能的主要核心电路器件，将具有关联性的元件按照就近均匀的布置方向进行放置，避免由于元件之间距离过长造成的天线效应。同时，元件在摆放的布局上尽可能保持平行的状态，缩短元件之间的布线距离降低线路和元件之间的分布参数。其次就是在高频率电压下经过的设备区域内应该尽可能的保持出入口端的距离，在布局走线方面，总线要保持与原理图的一致性，不要平行的布线。在空间充足的条件下，也可以适当的增加导线之间的距离，减少导线环路面积。将已经形成的环路导线与回线之间缩短距离，避免走线拐角出现尖锐角，降低电磁耦合产生的影响。因此在实际的改进措施中，要保障输入端口与输出端口之间的引脚连线保持0.508mm的距离，将驱动电路与光耦隔离电路的外围元件进行就近排布，增强全桥平行导线的距离。这样不仅降低了近场辐射效应，同时也能够有效优化PCB的能量强度，实现PCB板图状态下EMC的优化预防【3】。

图4 辐射能量趋势对比图

结论：

综上所述，在社会经济发展的背景下，大众在生活中对电子设备的运用已经越来越广泛，也说明了在电子产品的高电压工作运转中会产生非常强烈的电磁干扰。那么对于电子设备的其他硬件设备来说，实现对开关电源的电磁兼容（EMC)的控制是十分复杂及艰难的。所以在实际的优化过程中，首先需要对开关电源电路板（PCB）的基本原理进行充分的研究讨论分析，在此基础上对EMC的有效优化提出对应的预测方案，建设对开关电源PCB的进场辐射模型。根据模型中呈现出的不同电磁干扰强度，对开关电源PCB的布局提出有效的预测简析措施，改善电子设备的电磁兼容性，并在在此基础上加强预防控制，进一步提升开关电源的高效运转。

参考文献：

[1]项永金,崔斌,王奎,陈明轩,戴银燕.POWER开关电源芯片应用静电损伤失效可靠性研究与提升[J].电子产品世界,2018,25(11):68-71.

[2]毛行奎,陈庆彬,陈为.开关电源高频功率平面变压器串并混联PCB线圈交流损耗模型[J].电工电能新技术,2008(01):30-34+66.

[3]毛行奎,陈为.开关电源高频平面变压器并联PCB线圈交流损耗建模及分析[J].中国电机工程学报,2006(22):167-173.