CST電源濾波電路仿真三：近場耦合問題的仿真
作者 | WangJieyu
CST濾波仿真系列在2022年已經分享了兩期，本期重點介紹電源傳導問題中的磁性器件近場耦合問題的仿真。
遙想筆者當年，CE問題撲朔迷離，山重水復，偶然發現近場耦合問題，瞬間峰回路轉，柳暗花明。隨著電源模塊日益向著高頻，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。下圖清晰地展示了兩個磁性器件之間的近場耦合效應。
1. 仿真模型
本期研究的仿真模型為共模濾波電路和BUCK電源電路的組合，具體仿真模型細節如下圖所示：
電路模型包括供電電源(SOURCE)、LISN、EMI濾波電路、BUCK電源電路。
為驗證兩個磁性器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二者則分布在兩個腔體內。
【場路聯合仿真模型】
如下圖所示，其中PCB、金屬外殼、共模電感、BUCK功率電感均采用3D模型，其他電路元器件采用電路模型。
2. 仿真結果
【仿真結果分析--時域仿真波形】
該BUCK電源的輸入為12V，工作頻率為488kHz，占空比為48.7%，輸出電壓約5V。下圖分別為開關信號電壓波形，BUCK電源輸出電壓波形及電流波形。
【仿真結果分析--傳導噪聲】
從傳導噪聲仿真結果的頻譜對比可知，采取金屬分腔后，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的仿真結果，藍色曲線為模型B的仿真結果。
【仿真結果分析--表面電流】
在3D場仿真界面中，分別添加表面電流監視器（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的表面電流仿真結果對比可知：
0.4878MHz的噪聲源為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的表面電流仿真結果對比可知：
1. 10.732MHz的噪聲源為BUCK電源PCB上的功率開關環路；
2. 10.732MHz的的噪聲路徑為PCB功率開關環路的空間近場輻射及傳導。
同樣從20.951MHz表面電流仿真結果可知，20.951MHz的噪聲源也是BUCK電源PCB上的功率開關環路。
綜上所述，開關頻點488kHz的噪聲幅值受BUCK功率電感的空間近場輻射影響較大，而10MHz以上的高頻段噪聲源頭為功率開關環路。因此通過合理的布局布線，減小功率電感與濾波電感之間的耦合，減小開關環路面積，能夠有效抑制開關電源傳導噪聲。
3. 仿真總結
1. CST場路聯合仿真，可以進行完整的電源電路的傳導噪聲仿真。并通過三維電磁場全波仿真，綜合考慮電源上大功率磁性器件的近場耦合效應，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。
2. 在進行場路聯合仿真建模之前，簡單的電路仿真是非常必要的。電路仿真能夠幫助我們快速分析傳導噪聲的源頭和路徑，進而創建正確的3D模型。
3. 磁性器件作為電源仿真的關鍵部件需要單獨建模，并對其基本特性如感量，阻抗等進行仿真。為提高效率，可以使用CST 的低頻工作室中的MS solver/LF solver。
4. CST仿真結果中電場/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。
5. 電源電路傳導發射仿真是一個系統級的仿真，看似簡單，實則很難。建議從部件級仿真開始，由簡及難，定性不定量。
