开关电源PCB电路电磁辐射研究

论文摘要

开关电源工作在几十kHz到1MHz开关频率,高频的通断状态下产生的电磁干扰（EMI）通过传输通道耦合到系统内外,对系统内外的敏感设备造成危害,导致系统的电磁兼容性能下降。干扰源特性的研究是实现电磁兼容设计的关键。本文主要致力于开关电源电磁干扰模型的研究。内容涉及到功率半导体器件—PIN二极管、三种基本拓扑电路（Boost、Buck、Buck-Boost）的辐射EMI建模等方面。首先,建立电路中元器件的高频模型,这是开关电源电磁辐射模型的基础。分析了PCB电路板迹线的微带线和共面带状线两种模型。对于PIN二极管本文采用了适用于EMI分析的精确模型,并在Saber环境下用MAST硬件描述语言编写了二极管的仿真程序。然后,在电路仿真软件Saber中建立开关电源仿真电路,研究辐射源特性,建立辐射模型。利用电阻、电容、电感、PCB迹线、PIN二极管的高频模型在Saber中建立开关电源仿真电路,进行时域和频域仿真,分析具体开关电源主电路PCB迹线上的频域电流分布。为了在电磁兼容预测软件中实现辐射场的求解预测,从麦克斯韦方程组出发推导出三种基本拓扑结构辐射近场的频域解析表达式,然后仿真并分析了升压型开关电源的辐射场。最后,分析了核电磁脉冲对传输线的耦合。核电磁脉冲可以使通信和其它的电子设备受到潜在的危害甚至使系统性能受到破坏。用传输线理论建立核电磁脉冲干扰对电缆或迹线的耦合模型,通过理论计算得到模型的频率响应,分析得出了电磁兼容设计的一些结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 干扰源及干扰特性研究
• 1.2.2 开关电源EMI 建模
• 1.3 选题意义
• 1.4 论文结构
• 第二章 开关电源工作原理和电磁兼容标准
• 2.1 开关电源工作原理
• 2.1.1 Buck 变换电路
• 2.1.2 Boost 变换电路
• 2.1.3 Buck-Boost 变换电路
• 2.2 开关电源电磁兼容性测试要求
• 2.2.1 电磁骚扰限值
• 2.2.2 抗扰性
• 2.2.3 谐波电流限值
• 第三章 开关电源元器件EMI 模型
• 3.1 无源器件
• 3.1.1 电阻
• 3.1.2 电容
• 3.1.3 电感
• 3.1.4 PCB 迹线
• 3.2 PIN 二极管模型
• 3.2.1 模型方程
• 3.2.2 仿真模型建立
• 3.2.3 模型验证
• 第四章 开关电源设计与仿真
• 4.1 Boost 电路设计与仿真
• 4.1.1 电路设计
• 4.1.2 电路实现
• 4.1.3 仿真
• 4.1.4 结果分析
• 4.2 Buck 电路设计与仿真
• 4.2.1 电路设计
• 4.2.2 仿真与结果分析
• 4.3 Buck-Boost 电路设计与仿真
• 4.3.1 电路设计
• 4.3.2 仿真与结果分析
• 第五章 开关电源电磁辐射建模与仿真
• 5.1 偶极子天线原理
• 5.1.1 电偶极子
• 5.1.2 磁偶极子
• 5.2 开关电源电路辐射模型
• 5.2.1 主回路辐射模型
• 5.2.2 单环路辐射模型
• 5.2.3 双环路辐射模型
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.3.1 电场分布
• 5.3.2 磁场分布
• 5.3.3 环路模型与磁偶极子模型的比较
• 5.4 结论
• 5.5 电磁辐射预测步骤
• 第六章 高空核爆电磁脉冲对传输线耦合研究
• 6.1 高空核爆电磁脉冲的电磁特性
• 6.2 传输线理论分析及仿真
• 6.2.1 平行于导体的电场
• 6.2.2 平行于终端的电场
• 6.3 结果分析
• 第七章 结束语
• 7.1 本文工作的总结
• 7.2 今后工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 硕士期间取得的科研成果