基于去耦電容的直流開關電源諧振影響因素及優(yōu)化研究

廖貴文，姜永正，彭延峰，胡亞凡，何寬芳

（1.湖南科技大學 機械設備健康維護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201；2.佛山科學技術學院 機電工程與自動化學院，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著科技發(fā)展，直流配電系統(tǒng)直流負載增加，分布式電源接入，已廣泛應用于軍事、航天、新能源等重要領域。其中直流開關電源是直流配電系統(tǒng)的源頭，是保證各模塊指標最優(yōu)化的關鍵。由于直流開關電源內部器件繁多、結構復雜，導致電路輸出更易產(chǎn)生諧振干擾，影響電源分配網(wǎng)絡工作的穩(wěn)定性，增大電源/地平面阻抗，甚至產(chǎn)生輻射干擾的問題。

目前針對PCB 諧振的研究較多。刑榮峰等針對諧振會對PCB 電路造成電源軌道塌陷及PCB 的邊緣效應等問題，對諧振進行優(yōu)化分析。姜攀研究諧振與電源分配網(wǎng)絡阻抗之間的關系，并提出了諧振優(yōu)化的一般流程。張宜濤等基于諧振效應理論，提出通過改進的去耦電容模型增強PCB 電磁抗干擾度。劉洋等通過研究去耦電容量最大電壓噪聲與上升時間和電容參數(shù)關系，提出了有效去耦上升時間選擇去耦電容的方法。但是，目前主要是通過添加去耦電容改善交流電器PCB板電壓分布和阻抗，對于直流開關電源電路諧振響應分析的研究較少。

直流開關電源作為一個配電系統(tǒng)的源頭，是保證電源系統(tǒng)中所有器件獲得穩(wěn)定電壓的關鍵。抑制電路板本身的諧振特性是降低電路間阻抗的重要手段。因此，本文針對直流供電系統(tǒng)中開關電源，建立含去耦電容的諧振有限元模型，并獲取不同諧振頻率下PCB 板電壓分布和阻抗參數(shù)，通過對比分析研究去耦電容容值對PCB電壓分布和阻抗的影響，確定去耦電容的有效最優(yōu)容值，為直流開關電源電路諧振抑制提供一種有效的手段。

1 直流開關電源電路諧振有限元模型

1.1 諧振及阻抗優(yōu)化原理

直流開關電路的電源層和地平面可以等效為由多個電感和電容構成的網(wǎng)絡。如圖1 所示，由于PCB 電路板的電源層和地平面層的距離遠小于電磁波長，形成諧振空腔，并且考慮PCB 電路板形狀、尺寸和材料等因素，計算長度為（，）的兩平面，介電常數(shù)為，介質厚度為的電路板，在尺寸為（L，L）的端口（p，p）處的阻抗和不同模式下的諧振頻率f為：

圖1 電源/地平面結構圖

式中：表示自由空間的介電常數(shù)（0.089 pF/in）；為自由空間的磁導率（32 pH/mil）；為介質材料的相對介電常數(shù)；，為PCB 板的長寬；（，）為模數(shù)。

在高頻時，添加去耦電容可以降低頻率點附近的阻抗，為直流開關電路的電源層和地平面提供一條低阻抗路徑。添加去耦電容的PCB 的等效電路如圖2 所示。去耦電容的充放電作用使PDN 獲得穩(wěn)定的供電電壓，減小電壓振蕩現(xiàn)象。

圖2 加去耦電容等效電路

根據(jù)圖2，電路去耦電容的阻抗Z和頻率可以表示為：

式中：R為等效串聯(lián)電阻；L為等效串聯(lián)電感；為理想電容；為去耦電容諧振頻率。

1.2 開關電源電路諧振有限元模型

直流開關電源的原理框圖如圖3 所示。開關電源主要由以下幾個大部分組成：輸入整流濾波、逆變電路、輸出整流濾波以及給各芯片供電的輔助電源等。

根據(jù)圖3 直流開關電源電路原理圖，運用Altium Designer 軟件建立一個尺寸為79 mm×47 mm 的兩層PCB 電路板模型，對PCB 電路板進行預處理，并在SIwave 軟件中生成三維有限元仿真模型，如圖4 所示。對PCB 電路板的過孔、走線等要素檢查，并根據(jù)表1 設定介質材料參數(shù)，調整層間距及設置電路板上的電阻、電容、電感相應的模型和參數(shù)，寄生參數(shù)如表2 所示。

表2 PCB 電路板電容參數(shù)表

圖3 開關電源電路圖

圖4 諧振有限元仿真模型

表1 PCB 電路板參數(shù)表

2 諧振計算與分析

2.1 計算流程

本文使用Altium Designer 和 ANSYS 公司的SIwave 軟件，并參照圖5 對直流開關電源電路進行協(xié)同仿真，從頻域的角度分析因PCB 電路板形狀、尺寸、自身材料、疊層結構、過孔、布線和RLC 等寄生參數(shù)引起的板間諧振、及對應的頻點的電壓、阻抗分布。

圖5 仿真流程

2.2 計算結果與分析

2.2.1 諧振電壓分析

建立兩層疊層機構的直流開關電源電路有限元模型后，計算1 MHz～2 GHz 頻段內板間的諧振振點，共計算出8 個諧振頻率點，如表3 所示。

表3 諧振頻率點

根據(jù)仿真的結果對PCB 進行優(yōu)化，重點是在諧振頻點處增加去耦電容，實現(xiàn)信號線的阻抗匹配，為直流開關電源電路板電源/地平面提供一條低阻抗路徑。

圖6、圖7 所示分別為開關電路PCB 板電壓分布最明顯的2 個頻點，諧振頻點的噪聲聲源會激勵電源/地平面層產(chǎn)生諧振，影響直流開關電源信號質量。

圖6 頻率0.778 GHz 電壓分布圖

1）由圖6 可知，在頻率為0.778 GHz 時，PCB 板邊緣效應十分明顯，由于靠近PCB 邊緣的諧振干擾會通過空間向外輻射，使電路板產(chǎn)生EMI 問題。

2）由圖7 可知，在頻率為1.085 GHz 下的元器件變壓器T附近處的諧振振幅較大，諧振效應顯著。

圖7 頻率1.085 GHz 電壓分布圖

2.2.2 阻抗特性

電源分配系統(tǒng)（PDN）質量對于電源完整性十分重要，并影響電路信號傳輸質量。其中，阻抗是影響PDN穩(wěn)定性的重要因素，阻抗的變化甚至會影響整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。PDN 供電系統(tǒng)電壓波動表達式為：

式中：Δ為波動電源電壓；是最壞情況下的瞬變電流；平均值為可容許紋波系數(shù)，一般取5%。

針對本文研究的直流開關電源的PCB 電路板進行仿真，結果表明：在0～2 GHz 頻率內，出現(xiàn)阻抗峰值的頻點為310.8 MHz，758.3 MHz，1 123.1 MHz和1 337.8 MHz，其中頻率為758.3 MHz時阻抗值最大，達到了21.302 Ω。

2.3 去耦電容選擇與優(yōu)化

根據(jù)電容去耦原理，自諧振頻率處的去耦電容的阻抗最低，故選擇自諧振頻率與PCB 板上諧振頻率相近的去耦電容，并且采用One per decade 的放置方法，即每10 倍程容值選取一種電容值。各頻點的去耦電容值如表4 所示。圖8 為不同容值下頻率與自身阻抗間的關系，諧振頻率越大，需要的去耦電容容值就越小。

圖8 不同容值頻率與阻抗關系曲線

表4 去耦電容值

2.4 優(yōu)化結果

2.4.1 諧振電壓分布對比

放置去耦電容后，重新對直流開關電路進行諧振仿真，如表5 所示。由表5 可知，添加去耦電容后，對應諧振模式下的頻率消失，諧振頻率也有所降低。

表5 改進前后諧振頻率對比

添加去耦電容后的直流開關電源電路諧振仿真電壓分布如圖9、圖10 所示。通過添加去耦電容和阻抗匹配的方法可知，0.778 GHz頻點的諧振電壓分布情況有明顯改善，1.085 GHz 頻點原先走線密集的諧振區(qū)域改善明顯，但是在PCB 邊緣處（圖10 實線框中）的諧振電壓分布有所惡化。

圖9 加去耦電容后頻率為0.778 GHz 電壓分布圖

圖10 加去耦電容后頻率為1.085 GHz 電壓分布圖

2.4.2 阻抗特性對比

由表6 阻抗值對比可知，放置的去耦電容可以減少頻點附近的阻抗。因此，在PCB 布局布線、過孔設置時，應盡量注意到這些頻率點的影響，關鍵器件及其走線的工作頻率如與以上諧振頻率相遇，可能影響信號的完整性。

表6 改進前后阻抗值

由此可見，針對特定的PCB 板，可以通過仿真計算獲得諧振，提前預測板上各個部位的電源/地平面阻抗，為合理布線布局提供有利參考，同時也為減小諧振頻點的阻抗和合理運用去耦電容提供對照。

3 結論

電源/地平面可看作由很多RLC 構成的網(wǎng)絡，平面對之間可以看成共振腔，本文以直流開關電源電路PCB 板為對象，采用有限元法對整板進行仿真分析，得到結論如下：根據(jù)直流開關電源電路的有限元仿真結果，得出諧振頻率范圍在778.5 MHz～1.15 GHz 之間，通過理論計算選擇去耦電容容值在36 pF～0.33 nF之間，能夠達到最優(yōu)的去耦效果，降低諧振特性；本文分別對添加去耦電容前后的開關電源電路PCB 阻抗進行計算，添加去耦電容后，PCB 電路板阻抗明顯降低，阻抗最大降低為20.93%，最小為4.0%，有效地降低了直流開關電路電源/地平面間的阻抗值，為信號傳播提供了一條低阻抗路徑。