CST电源滤波电路仿真三：近场耦合问题的仿真
作者 | WangJieyu
CST滤波仿真系列在2022年已经分享了两期，本期重点介绍电源传导问题中的磁性器件近场耦合问题的仿真。
遥想笔者当年，CE问题扑朔迷离，山重水复，偶然发现近场耦合问题，瞬间峰回路转，柳暗花明。随着电源模块日益向着高频，大功率，小型化的趋势演进，近场耦合引发的CE问题早已屡见不鲜。下图清晰地展示了两个磁性器件之间的近场耦合效应。
1. 仿真模型
本期研究的仿真模型为共模滤波电路和BUCK电源电路的组合，具体仿真模型细节如下图所示：
电路模型包括供电电源(SOURCE)、LISN、EMI滤波电路、BUCK电源电路。
为验证两个磁性器件之间的低频近场耦合效应，在3D模型中增加金属隔板，如下图所示，模型A的滤波电路和BUCK电源电路在同一个腔体内，模型B二者则分布在两个腔体内。
【场路联合仿真模型】
如下图所示，其中PCB、金属外壳、共模电感、BUCK功率电感均采用3D模型，其他电路元器件采用电路模型。
2. 仿真结果
【仿真结果分析--时域仿真波形】
该BUCK电源的输入为12V，工作频率为488kHz，占空比为48.7%，输出电压约5V。下图分别为开关信号电压波形，BUCK电源输出电压波形及电流波形。
【仿真结果分析--传导噪声】
从传导噪声仿真结果的频谱对比可知，采取金属分腔后，开关频点的基频及其高次谐波均有明显的降低。
红色曲线为模型A的仿真结果，蓝色曲线为模型B的仿真结果。
【仿真结果分析--表面电流】
在3D场仿真界面中，分别添加表面电流监视器（surface current monitor），频点分别为开关频点0.4878MHz，以及10MHz和20MHz左右。
从下图0.4878MHz的表面电流仿真结果对比可知：
0.4878MHz的噪声源为BUCK功率电感；
0.4878MHz受到BUCK功率电感与滤波电路共模电感之间的耦合影响较大。
从下图10.732MHz的表面电流仿真结果对比可知：
1. 10.732MHz的噪声源为BUCK电源PCB上的功率开关环路；
2. 10.732MHz的的噪声路径为PCB功率开关环路的空间近场辐射及传导。
同样从20.951MHz表面电流仿真结果可知，20.951MHz的噪声源也是BUCK电源PCB上的功率开关环路。
综上所述，开关频点488kHz的噪声幅值受BUCK功率电感的空间近场辐射影响较大，而10MHz以上的高频段噪声源头为功率开关环路。因此通过合理的布局布线，减小功率电感与滤波电感之间的耦合，减小开关环路面积，能够有效抑制开关电源传导噪声。
3. 仿真总结
1. CST场路联合仿真，可以进行完整的电源电路的传导噪声仿真。并通过三维电磁场全波仿真，综合考虑电源上大功率磁性器件的近场耦合效应，PCB功率开关的环路辐射及耦合效应，PCB寄生参数的影响以及金属结构对电磁场的影响等因素。
2. 在进行场路联合仿真建模之前，简单的电路仿真是非常必要的。电路仿真能够帮助我们快速分析传导噪声的源头和路径，进而创建正确的3D模型。
3. 磁性器件作为电源仿真的关键部件需要单独建模，并对其基本特性如感量，阻抗等进行仿真。为提高效率，可以使用CST 的低频工作室中的MS solver/LF solver。
4. CST仿真结果中电场/磁场/表面电流等2D/3D结果，可以直观地表现出传导噪声的源头及路径，从而可以有的放矢的给出CE整改方案。
5. 电源电路传导发射仿真是一个系统级的仿真，看似简单，实则很难。建议从部件级仿真开始，由简及难，定性不定量。
