华为技术有限公司工程师王洁羽——Maxwell在电源磁性器件耦合评估中的应用
2020-02-27 444浏览
- 1.Maxwell在电源磁性器件耦合评估中的应用 王洁羽 / 工程师 华为技术有限公司 1 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 ANSYS UGM 2017
- 2.目录 • 概述 • 磁场近场耦合原理 • 近场耦合参数的测量 • 近场耦合参数的仿真 • 近场耦合影响因素仿真分析 • 案例 • 总结 2 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 ANSYS UGM 2017
- 3.概述 随着开关电源的高功率,高频,高密度,小型化的趋势,电源内部磁性器件之间距离较小导致的磁性器件近场耦合问题也日 趋增多。从而电源端口的传导辐射问题也随之大规模爆发。 ➢ 如何量化开关电源磁性器件之间的近场耦合? ➢ 近场耦合的影响因素有哪些? ➢ 如何控制甚至利用近场耦合解决电源端口传导辐射问题? 本文将对这些问题进行深入探讨,并给出相应的设计指导。 什么是近场耦合 ➢ 近场耦合:包括磁场耦合和电场耦合。由于EMI滤波电路中存在一个或多个差模/共模电感,因此引起电源端口传导噪 声问题的近场耦合基本以磁场耦合为主。 ➢ 磁场耦合:产生磁场的一方通过磁场将信号耦合到其他器件的过程。产生干扰磁场的器件为干扰体,而被干扰磁场所耦 合的器件为被干扰体。对于电源端口传导噪声问题,电源端口处的防雷电感、共模电感通常为被干扰体,而开关电源内 部的电感、变压器等磁性器件通常为干扰体。 3 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 ANSYS UGM 2017
- 4.磁场近场耦合原理 磁场近场耦合是指干扰体的噪声信号通过磁场耦合到 被干扰体。因而近场干扰的耦合模型可以通过互感M 表示,在近场耦合模型中为一个 jω∙M∙Ì 的受控电压 源,如图所示。 根据电路理论,对两个电感进行磁场耦合解耦。 负正 耦耦 合合 及及 解解 耦耦 1-1 1-2 2-1 电感L1和L2在空间中存在耦合M,若L1和L2为正耦合,则 2-2 UAB=L1∙di1dt+M∙di2dt UAB=L1-M∙di1dt+M∙d(i2+i2)dt UAC=L2∙di2dt+M∙di1dt UAC=L2-M∙di2dt+M∙d(i2+i2)dt 根据上式得到等效电路图1-2与此时L1与L2实现解耦。若L1和L2为负耦合,解耦方法相同,参考图2-2 4 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 ANSYS UGM 2017
- 5.近场耦合参数的测量 ➢ 网络分析仪测试法 若两磁性元件距离较远,耦合系数小,则推荐采用网路分析仪测试S参数法来测得两者间的耦合参数。 两个耦合电感构成的二端口网络 二端口S参数 一阶模型下,Z参数为: Z11=jωL1 Z22=jωL2 Z12=Z21=jωM 5 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 Ur1 = S11 Ui1 + S12 Ui2 Ur2 = S21 Ui1 + S22 Ui2 S参数、Z参数转换 U1 U 2 Z11 Z21 Z12 Z22 I1 I 2 jL1 jM jM jL2 I1 I2 器件自参数/耦合参数结果 jL1 Z0 (1 S22 S22S11 S11 S12S21) 1 S22 S22S11 S11 S12S21 jL2 Z0 (1 S22 S22S11 S11 S12S21) 1 S22 S22S11 S11 S12S21 jM 2Z0S21 1 S22 S22S11 S11 S12S21 ANSYS UGM 2017
- 6.近场耦合参数的仿真 ➢ 仿真模型的建立 某共模电感参数如下: 磁芯:内半径5mm;外半径10mm;高度10mm,初始磁导率10000; 线圈:线圈覆盖角度110度;两线圈之间的夹角30度;线径0.5mm;匝数5:5; 两个共模电感间距30mm(磁芯圆心间距),仿真两个共模电感之间的互感。 ➢ 仿真结果 共模互感:2.5898nH 差模互感:84.924nH 6 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 共模互感仿真结果 ANSYS UGM 2017 差模模互感仿真结果
- 7.近场耦合影响因素仿真分析 电源两级滤波电路近场耦合示意图 Maxwell仿真模型 卧 式 共 模 电 感 电感间距离对互感及电路插损的影响 电感间相对角度对互感及电路插损的影响 立 式 共 模 电 感 ➢仿真结果分析 1、在电源端口两级滤波电路中,两个共模电感之间的近场耦合随着距离的增大而减小,此时滤波电路的插损也就随之增大; 2、对于卧式电感,当两个电感间夹角为90度时,耦合最小,滤波电路的插损最大;而对于立式电感,当两个电感并列放置时 ,耦合最小; 7 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 ANSYS UGM 2017
- 8.案例 ➢ 案例描述:某电源,电感A处开关噪声较大,而电感B位于电源端口处,两者之间近场耦合直接导致了电源端口传导 辐射超标。 Maxwell仿真模型 电 感 电感B A 气 隙 正 对 电 感 B 电感A 电 感 电感B A 气 隙 电感A 旋 转 9 0 度 Level [ dB礦 ] 70 整改前 60 50 40 30 20 10 0 150k 300k 500k 1M 2M Fr equency [ Hz] 3M M ES M ES LI M LI M C14121221_pr e C14121221_pr e2 EN55022_CE_Cal ssB Q P Votl age Q P Lim ti EN55022_CE_Cal ssB AV Votl age AV Lim ti 5M 7M 10M 30M Maxwell仿真结果 电感A与电感B互感:0.05nH 互感实测结果 电感A与电感B互感:0.03nH 电感A转90度后与电感B互感:0.003nH 电感A转90度后与电感B互感:0.013nH Level [ dB礦 ] 80 整改后 70 60 50 40 30 20 10 0 150k 300k 500k 1M 2M Fr equency [ Hz] 3M M ES M ES LI M LI M C14121618_pr e C14121618_pr e2 EN55022_CE_Cal ssB Q P Volt age Q P Lmi ti EN55022_CE_ClassB AV Votl age AV Lmi ti 5M 7M 10M 30M ➢ 案例分析 电感A为干扰源,电感B为被 干扰源。通过仿真和实测可 知,当电感A气隙旋转90度 后,近场耦合明显变小,从 而使得电源端口传导噪声满 足标准限值要求。 8 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 ANSYS UGM 2017
- 9.总结 ➢ 通过Maxwell 3D仿真可以对磁性器件的磁场分布情况有较直观的评估,有利于 工程师判断磁场近场辐射的关键器件; ➢ 可以量化评估磁场近场耦合大小,从而判断近场耦合是否为引起问题的关键因素; ➢ 可以更快捷的判断近场最小耦合场景(距离、角度、极性),给出最优解决方案; ➢ 此外,对于高密布局的电源产品,可以利用Maxwell软件对电源端口滤波电路 的近场耦合问题提前进行风险评估,提升了电源EMI设计质量及通过率,是电源 EMI设计较为先进的方法。 9 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 ANSYS UGM 2017
- 10.感谢聆听 10 © 2017 ANSYS, Inc. July 31, 2017 ANSYS UGM 2017