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

2020-02-27 446浏览

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  U1 U 2      Z11 Z21  Z12 Z22    I1  I 2        jL1 jM  jM jL2       I1 I2    器件自参数/耦合参数结果 jL1  Z0 (1 S22  S22S11  S11  S12S21) 1 S22  S22S11  S11  S12S21 jL2  Z0 (1 S22  S22S11  S11  S12S21) 1 S22  S22S11  S11  S12S21 jM  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