CST電源濾波電路仿真三：近場(chǎng)耦合問(wèn)題的仿真
作者 | WangJieyu
CST濾波仿真系列在2022年已經(jīng)分享了兩期，本期重點(diǎn)介紹電源傳導(dǎo)問(wèn)題中的磁性器件近場(chǎng)耦合問(wèn)題的仿真。
遙想筆者當(dāng)年，CE問(wèn)題撲朔迷離，山重水復(fù)，偶然發(fā)現(xiàn)近場(chǎng)耦合問(wèn)題，瞬間峰回路轉(zhuǎn)，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(shì)演進(jìn)，近場(chǎng)耦合引發(fā)的CE問(wèn)題早已屢見(jiàn)不鮮。下圖清晰地展示了兩個(gè)磁性器件之間的近場(chǎng)耦合效應(yīng)。
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(xì)節(jié)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(yàn)證兩個(gè)磁性器件之間的低頻近場(chǎng)耦合效應(yīng)，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(gè)腔體內(nèi)，模型B二者則分布在兩個(gè)腔體內(nèi)。
【場(chǎng)路聯(lián)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(jié)果
【仿真結(jié)果分析--時(shí)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(kāi)關(guān)信號(hào)電壓波形，BUCK電源輸出電壓波形及電流波形。
【仿真結(jié)果分析--傳導(dǎo)噪聲】
從傳導(dǎo)噪聲仿真結(jié)果的頻譜對(duì)比可知，采取金屬分腔后，開(kāi)關(guān)頻點(diǎn)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(jié)果，藍(lán)色曲線為模型B的仿真結(jié)果。
【仿真結(jié)果分析--表面電流】
在3D場(chǎng)仿真界面中，分別添加表面電流監(jiān)視器（surface current monitor），頻點(diǎn)分別為開(kāi)關(guān)頻點(diǎn)0.4878MHz，以及10MHz和20MHz左右。
從下圖0.4878MHz的表面電流仿真結(jié)果對(duì)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(jié)果對(duì)比可知：
1. 10.732MHz的噪聲源為BUCK電源PCB上的功率開(kāi)關(guān)環(huán)路；
2. 10.732MHz的的噪聲路徑為PCB功率開(kāi)關(guān)環(huán)路的空間近場(chǎng)輻射及傳導(dǎo)。
同樣從20.951MHz表面電流仿真結(jié)果可知，20.951MHz的噪聲源也是BUCK電源PCB上的功率開(kāi)關(guān)環(huán)路。
綜上所述，開(kāi)關(guān)頻點(diǎn)488kHz的噪聲幅值受BUCK功率電感的空間近場(chǎng)輻射影響較大，而10MHz以上的高頻段噪聲源頭為功率開(kāi)關(guān)環(huán)路。因此通過(guò)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(kāi)關(guān)環(huán)路面積，能夠有效抑制開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)噪聲。
3. 仿真總結(jié)
1. CST場(chǎng)路聯(lián)合仿真，可以進(jìn)行完整的電源電路的傳導(dǎo)噪聲仿真。并通過(guò)三維電磁場(chǎng)全波仿真，綜合考慮電源上大功率磁性器件的近場(chǎng)耦合效應(yīng)，PCB功率開(kāi)關(guān)的環(huán)路輻射及耦合效應(yīng)，PCB寄生參數(shù)的影響以及金屬結(jié)構(gòu)對(duì)電磁場(chǎng)的影響等因素。
2. 在進(jìn)行場(chǎng)路聯(lián)合仿真建模之前，簡(jiǎn)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(dǎo)噪聲的源頭和路徑，進(jìn)而創(chuàng)建正確的3D模型。
3. 磁性器件作為電源仿真的關(guān)鍵部件需要單獨(dú)建模，并對(duì)其基本特性如感量，阻抗等進(jìn)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(jié)果中電場(chǎng)/磁場(chǎng)/表面電流等2D/3D結(jié)果，可以直觀地表現(xiàn)出傳導(dǎo)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(dǎo)發(fā)射仿真是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的仿真，看似簡(jiǎn)單，實(shí)則很難。建議從部件級(jí)仿真開(kāi)始，由簡(jiǎn)及難，定性不定量。
