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开关电源电磁兼容性分析-近场建模和实验验证

   2008-10-29 2410

4.结果和分析 

    开关电源的等效辐射空间场如图3所示。
 

 


    图9频率f=1MHz时x-z平面电场的空间分布图,其中R=100kΩ 

    图3是在x-z平面内与x轴成θ角函数的辐射分布图(RF)。图4和图5分别是在坐标为(0m,0m,0.1m)
    近场区域电场和磁场的计算和测量值比较结果。上面总结的近场辐射处理结果显示了这两组结果之间很好的一致性。在10MHz以下测量和计算值之间的误差小于1.2dB,在10MHz以上最大误差小于4.4dB。电场的辐射分布图是一组阻抗R=0Ω,10kΩ,50kΩ,100kΩ,1MΩ的负载绘制的。这些数值对于普通的开关电源负载情况都在合适的范围内。在不带负载(R=0Ω)的情况下,如果滤波电容是断开的,所有的电流都流向内部传导部分,而没有流向两个“盲区”的垂直分支方向。辐射结构变成了一个电小环,如图6它的辐射分布图有着预想的“8”字形,两个极值点分别在00和1800处,两个零值点分别在900和2700处。不带负载的环路辐射了几乎所有的输入功率,所以在这种负载情况下电场值相对于其它情况是最大的(例如:Eθ)max=116dBμv/m)。当负载增加的时候,这种负载传导环路趋向于开环电路如图3所示。通过环路导体上下之间和垂直分支“盲区”尖端之间所构成电容的无功移动电流与导体内的传导电流相比变得越来越重要了。右边负载环路的传导电流减小,辐射分布图开始主要呈现为左边圆形突出(见图7)。当负载进一步增加到1MΩ时,其响应接近成为一个全方向(在x-z平面),RP像预期的从一个电偶极子的辐射分布。因此,开关电源转换部分的行为对于小负载像是一个磁偶极子,对于大负载则像是一个电偶极子。开关电源辐射出来的空间磁场不管是对于电路布线、还是防止信号沿路径的磁耦合或者有效屏蔽的最优设计都是相当重要的。图8a是在x-z平面、频率为1MHz的Hz磁场空间分布图。由开关电源内部导体电路辐射出的近磁场有些特性是可以预测的,靠近导体顶端的这类元件也具有同样的分布,它的输出同1/r2成比例。当负载增加的时候在电源附近会出现一个主峰值点,同时负载导体部分(当负载增加的时候传导电流自然会变小)的辐射场将变小。图8b是在同样的频率下负载R=100kΩ时磁场沿Hz轴的空间分布图。图9显示辐射电场的位移电流效应它出现在两个对应的非连接垂直导体的中心突起旁。

5.结论 

    可以看出开关电源的电磁辐射主要跟负载相关。在限定条件下(短路或无限大负载)开关电源呈现出磁偶极子或者电偶极子特性,在这两者之间电源的转换部分呈现出复合响应特性。开关电源的辐射场的空间分布是受负载影响的,所以解决开关电源负载的明智办法就是彻底减小它的电磁干扰问题。 

参考文献:
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[6] IEC Draft 22G – WG4 – 11 “Electromagnetic Compatibility of Power Drive Systems”, October 1994.
[7] G . Antonini , S . Cristina , A . Orlandi , “EMC Characterization of SMPS Devices : Circuit Model and Analysis of Radiated Emissions”, zccepted for publication on Special Issue of IEEE Trans . on Elaecromfgnetic  Compatibility .
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