CST濾波模擬系列在2022年已經分享了兩期,分別是:
CST電源濾波電路模擬(一)——紙上得來終覺淺
CST電源濾波電路模擬(二)——於無聲處聽驚雷
本期重點在於電源傳導問題中的磁性元件近場耦合問題的模擬。
遙想筆者當年,CE問題撲朔迷離,山重水複,偶然發現近場耦合問題,瞬間峰迴路轉,柳暗花明。隨著電源模組日益向高頻,大功率,小型化的趨勢演進,近場耦合引發的CE問題早已屢見不鮮。下圖清楚地展示了兩個磁性元件之間的近場耦合效應。
模擬模型
本期研究的模擬模型為共模濾波電路與BUCK電源電路的組合,具體模擬模型細節如下圖所示:
【電路模型】
電路模型包括供電電源(SOURCE)、LISN、EMI濾波電路、BUCK電源電路。
【3D模型】
為驗證兩個磁性元件之間的低頻近場耦合效應,在3D模型中增加金屬隔板,如下圖所示,模型A的濾波電路和BUCK電源電路在同一個腔體內,模型B二者則分佈在兩個腔體內。
【場路聯合模擬模型】如下圖所示,其中PCB、金屬外殼、共模電感、BUCK功率電感均採用3D模型,其他電路元件採用電路模型。
模擬結果
【模擬結果分析–時域模擬波形】
此BUCK電源的輸入為12V,工作頻率為488kHz,佔空比為48.7%,輸出電壓約5V。下圖分別為開關訊號電壓波形,BUCK電源輸出電壓波形及電流波形。
【模擬結果分析–傳導雜訊】
從傳導雜訊模擬結果的頻譜比較可知,採取金屬分腔後,開關頻點的基頻及其高次諧波均有明顯的降低
紅色曲線為模型A的模擬結果,藍色曲線為模型B的模擬結果。
【模擬結果分析–表面電流】
在3D場模擬介面中,分別加入表面電流監視器(surface current monitor),頻點分別為開關頻點0.4878MHz,以及10MHz和20MHz左右。從下圖0.4878MHz的表面電流模擬結果比較可知:
- 0.4878MHz的噪音源為BUCK功率電感;
- 0.4878MHz受到BUCK功率電感與濾波電路共模電感之間的耦合影響較大。
從下圖10.732MHz的表面電流模擬結果比較可知:
- 10.732MHz的雜訊源為BUCK電源PCB上的功率開關迴路;
- 10.732MHz的噪音路徑為PCB功率開關的迴路的空間近場輻射及傳導。
同樣從20.951MHz表面電流模擬結果可知,20.951MHz的雜訊源也是BUCK電源PCB上的功率開關迴路。
綜上所述,開關頻點488kHz的雜訊振幅受BUCK功率電感的太空近場輻射影響較大,而10MHz以上的高頻段雜訊源頭為功率開關迴路。因此透過合理的佈局佈線,減少功率電感與濾波電感之間的耦合,減少開關環路面積,能夠有效抑制開關電源傳導雜訊。
模擬總結
【CST電源濾波電路模擬總結】
- CST場路聯合模擬,可進行完整的電源電路的傳導雜訊模擬。並透過三維電磁場全波模擬,綜合考慮電源上高功率磁性元件的近場耦合效應,PCB功率開關的環路輻射及耦合效應,PCB寄生參數的影響以及金屬結構對電磁場的影響等因素。
- 在進行場路聯合模擬建模之前,簡單的電路模擬是非常必要的。電路模擬能夠幫助我們快速分析傳導雜訊的源頭和路徑,進而建立正確的3D模型。
- 磁性元件作為電源模擬的關鍵部件需要單獨建模,並對其基本特性如感量,阻抗等進行模擬。為提高效率,可以使用CST 的低頻工作室中的MS solver/LF solver。
- CST模擬結果中電場/磁場/表面電流等2D/3D結果,可以直觀地表現出傳導噪聲的源頭及路徑,從而可以有的放矢的給出CE整改方案。
- 電源電路傳導發射模擬是系統級的模擬,看似簡單,其實很難。建議從部件級模擬開始,由簡及難,定性不定量。
原文轉載來自: Wang Jieyu – CST电源滤波电路仿真(三)——柳暗花明又一村
系列文章:
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