開關(guān)電源印制板EMC輔助設(shè)計(jì)的軟件方法

開關(guān)電源印制板EMC輔助設(shè)計(jì)的軟件方法摘要：提出了一種基于電場分析的開關(guān)電源印制板EMC輔助設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)思想，即以干擾源的干擾分布圖做為指導(dǎo)，以耦合系數(shù)為參考及時(shí)調(diào)整布線設(shè)計(jì)。文章最后給出了試驗(yàn)驗(yàn)證。1弓1言減小電子設(shè)備的EMI,印制板（PCB）的設(shè)計(jì)是個(gè)關(guān)鍵。一種好的布線方案可以在不修改電路拓?fù)浜驮黾尤魏卧那闆r下降低干擾水平。但目前PCB的設(shè)計(jì)在大多數(shù)情況下只是一種依賴于經(jīng)驗(yàn)的嘗試性設(shè)計(jì)過程，國外稱之為tri祖error設(shè)計(jì)方法，帶有很大的盲目性。PCB上主要的干擾耦合方式是傳導(dǎo)干擾和近場干擾（包括電場干擾和磁場干擾）。它們常?？梢杂秒s散電阻、電容、電感來表示。PCB的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是設(shè)法降低這些雜散參數(shù)，減小印制電路之間不必要的干擾耦合。許多文獻(xiàn)都列舉了一些減少印制電路間雜散參數(shù)的方法，但這些方法往往過于籠統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用中很大程度上還是依賴于經(jīng)驗(yàn)。目前也有使用數(shù)值技術(shù)來提取PCB雜散參數(shù)建立仿真模型的輔助設(shè)計(jì)軟件包，雖然仿真結(jié)果能與測量結(jié)果吻合較好，但這類方法本質(zhì)上是把trial&error設(shè)計(jì)方法從硬件平臺(tái)移植到軟件平臺(tái)上，并不能指導(dǎo)如何布線以減小線路間的雜散參數(shù)。畢竟這些方法都是從集中電路的角度去分析干擾的，而EMI本質(zhì)上是個(gè)場的問題，故仍有相當(dāng)?shù)木窒扌浴?基本原理電場耦合是由位移電流干擾引起的，用Maxwell方程描述為：表示變化的電場將產(chǎn)生位移電流，其中位移電流密度（x,y,z,t）和電位移密度（x,y,z,t）都是空間和時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，絕大多數(shù)開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾都集中在200MHz以下，頻率在200MHz以上的干擾其幅值已經(jīng)很小了。而大多數(shù)PCB的幾何尺寸都遠(yuǎn)小于200MHz電磁波的波長，可作準(zhǔn)靜態(tài)場近似。在此條件下，場量可寫成相互獨(dú)立的空間量和時(shí)間量的乘積。故式（1）可寫為：其中區(qū)丫/是空間任意一點(diǎn)（x,y,z）電位（x,y,z,t）的空間分量，（t）是該點(diǎn)電位的時(shí)間分量。（x,y,z）是該點(diǎn)位移電流密度（x,y,z,t）的空間分量，是其時(shí)間分量。在準(zhǔn)靜態(tài)場條件下，這些空間量和時(shí)間量之間是相互獨(dú)立的。要減小印制電路間的電場干擾，可以通過降低時(shí)間分量和空間分量（x,y,z）來實(shí)現(xiàn)。延長開關(guān)器件的導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間可以減小，但這樣會(huì)增大開關(guān)損耗，降低效率。另一個(gè)方法是減?。▁,y,z），可以通過選擇合適的布線方案，把敏感電路放在較小的地方來實(shí)現(xiàn)。對開關(guān)電源來說，干擾源主要集中在與開關(guān)器件相連、電壓變化率dv/dt相對較大的幾根導(dǎo)線上〖2〗。選擇合適的布線方案，首先要計(jì)算出干擾源的干擾強(qiáng)度分布圖。根據(jù)分布的情況，把敏感電路放在較小的地方，可以減小其受干擾的程度，這是我們用場的方法來布線的基本思想〖3〗。印制導(dǎo)線間的干擾耦合水平不完全由相互位置決定，與導(dǎo)線的大小、形狀也有關(guān)系。為了能夠綜合評價(jià)敏感導(dǎo)線與干擾導(dǎo)線之間的耦合程度，我們提出了（］ 500 1000 1500 20（］ 500 1000 1500 20其CouplingindexF叫口口U口E芭口tz-d后口trsuMBdEHBOO圖1耦合系數(shù)與電容的關(guān)系一種新的評價(jià)參數(shù)一耦合系數(shù)（Couplingindex）,如式（4）所示。其基本思想是把敏感導(dǎo)線細(xì)分為N個(gè)網(wǎng)格，是第n個(gè)網(wǎng)格的位移電流密度的大小， 是第n個(gè)網(wǎng)格的面積。把所有網(wǎng)格的與 的乘積相加之和做為耦合系數(shù)評價(jià)敏感導(dǎo)線與干擾導(dǎo)線之間的耦合程度。與電容的計(jì)算相比，耦合系數(shù)的計(jì)算非常簡單，只占用很少的計(jì)算機(jī)資源，可以根據(jù)實(shí)時(shí)的耦合系數(shù)計(jì)算結(jié)果及時(shí)調(diào)整布線方案，改進(jìn)設(shè)計(jì)。而不用等整塊PCB設(shè)計(jì)完成，再用軟件包提取雜散參數(shù)以建立仿真模型，輸入仿真軟件包，仿真結(jié)果不行再回頭修改設(shè)計(jì)。表1列出了九種不同的布線設(shè)計(jì)，分別給出了相應(yīng)的耦合系數(shù)和電容值計(jì)算結(jié)果。比較這些結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，印制導(dǎo)線的大小、形狀和相對位置都會(huì)影響它們之間的耦合系數(shù)和電容值。為了更清楚地反映兩者的關(guān)系，把耦合系數(shù)和電容值繪入同一張圖中并進(jìn)行線性回歸分析，如圖1所示。其相關(guān)系數(shù)為0.98,表明耦合系數(shù)能夠很好地反映導(dǎo)線間的耦合程度。依據(jù)耦合系數(shù)進(jìn)行布線是可行的。表1不同布線設(shè)計(jì)時(shí)的耦合系數(shù)和電容值1號(hào)F干擾導(dǎo)線和敏感導(dǎo)線耦合系數(shù)電容值（pF）N0.1571.058.30x10-3N0.2482.286.58x10-3N0.3103.311.68x10-3N0.41535.736.5x10-3N0.5776.3511.3x10-3N0.6572.018.45x10-3N0.71432.929.0x10-3N11021.0x10

o.803.5一3r0.9q1003.621.0X10一33試驗(yàn)驗(yàn)證圖2的試驗(yàn)裝置用來進(jìn)一步證實(shí)這個(gè)思想。印制導(dǎo)線經(jīng)屏蔽電纜與信號(hào)發(fā)生器HP8110A相連，饋入10V、200kHz的脈沖干擾信號(hào)做為干擾源。敏感導(dǎo)線如表達(dá)式中No.5或No.7所示布置，經(jīng)屏蔽電纜與頻譜分析儀HP8590L相連測量干擾信號(hào)。整個(gè)裝置放入屏蔽盒中。圖3是表1中No.5布線方案的設(shè)計(jì)尺寸和測量結(jié)果，圖4是表1中No.7布線方案的設(shè)計(jì)尺寸和測量結(jié)果。比較表1中No.5的耦合系數(shù)776.35和No.7的耦合系數(shù)1432.9就知道No.7中的敏感導(dǎo)線要比No.5中的敏感導(dǎo)線接收到更多的干擾，圖3(b)、4(b)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。4軟件框架軟件設(shè)計(jì)的最初思想是想擺脫P(yáng)CB的 &a傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，希望軟件能在PCB設(shè)計(jì)過程中(b)受擾信號(hào)頻譜圖3No.5布線的尺寸和干擾測量結(jié)果Xcetra.CE!IDrmnVk：rkTnitjwv(a)布線尺寸(b)受擾信號(hào)頻譜圖4N0.7號(hào)布線的尺寸和干擾測量結(jié)果就給出必要的干擾分布信息，以期在PCB設(shè)計(jì)的早期階段就把干擾抑制在盡可能低的水平。設(shè)計(jì)工作主要包括兩大步驟：初步輔助設(shè)計(jì)和仿真論證設(shè)計(jì)。在初步設(shè)計(jì)階段，計(jì)算機(jī)首先根據(jù)電路中各節(jié)點(diǎn)的dv/dt的大小識(shí)別干擾源，計(jì)算干擾源的干擾分布圖并顯示在屏幕上供參考。根據(jù)干擾分布圖把敏感電路放在干擾較弱的區(qū)域，這樣可以降低敏感電路的受擾程度［3］。同時(shí)可以根據(jù)實(shí)時(shí)的耦合系數(shù)計(jì)算值及時(shí)地調(diào)整敏感電路的大小、形狀，在PCB設(shè)計(jì)的初期階段就盡量把干擾耦合降低。整塊PCB設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)入仿真設(shè)計(jì)階段。利用有限元技術(shù)提取PCB的雜散參數(shù)，建立分布參數(shù)等效電路，放入電路仿真軟件包Pspice或Saber,可以計(jì)算出可能的干擾水平，與EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的干擾容許限值比較。整個(gè)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示?？?科1分甘g：E時(shí)IStag?I]:卜Ftou[hig圖5PCB輔助EMC設(shè)計(jì)軟件框圖5結(jié)論印制板的雜散參數(shù)對開關(guān)電源的EMC有很大的影響，合適的布線對減小印制電