PCB电磁兼容仿真分析及预测

1、编号： 毕业设计(论文)说明书课 题：PCB电磁兼容仿真分析及预测 院 （系）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 姓 名： 职 称： 题目类型：¨理论研究 ¨实验研究 ¨工程设计 þ工程技术研究 ¨软件开发 摘 要随着电子整机产品朝着集成化、小型化、轻型化的方向发展，PCB印制线的布线密度急剧增加；另外，电子信号的传输频率越来越高，导致PCB线与线、层与层之间的电磁耦合作用大大增强，不合理的布局会造成各种电磁干扰加剧。因此如何对PCB进行合理布局，提高其电磁可靠性尤为重要。而解决PCB布线的EMC问题最有效的方法就是对其进行电磁

2、兼容预测，通过预测调整不合理的布局布线，把产品的电磁兼容问题解决在产品定型之前，可以节约大量的时间和金钱，也是加强电子整机可靠性，提高产品竞争力的必要环节。本文以通信整机某开关电源PCB作为研究对象，进行了PCB电磁场仿真分析及预测的研究，具体实现方法是采用多种商用软件相结合进行分析。主要工作包括：首先分析了通信整机开关电源的电磁干扰特性，采用Protel DXP对该电路的印制电路板进行了布局布线，得到了该通信整机开关电源在多种布线布局下的物理模型。其次，针对以往PCB的电磁干扰分析大都是从路的方法来解决的，本文从场的角度，基于PCB板级电磁干扰机理，建立了PCB的电磁场分析模型，得到了PCB

3、的电磁场分布，可根据其结果对PCB上元件布局进行指导；还针对布局对PCB电磁干扰的影响，对不同元件布局下的电磁分布进行了分析。通过对通信整机某开关电源PCB电磁场的仿真，得到该PCB近场电磁场的分布情况,从而可有效对PCB上器件布局进行合理指导。同时，本文所采用的仿真方法对其他电子产品PCB的电磁兼容仿真分析具有一定的借鉴意义。关键词：印制电路板；电磁兼容；仿真；分析AbstractAs the electronic equipment is developing to integration, miniaturization, Lightweight, the density of rout

4、ing in PCB wire have increased quickly. Moreover, as the frequency of circuits becomes higher and higher, the electromagnetic coupling between the lines and between the layers of PCB has been greatly enhanced, unreasonable layout will cause various electromagnetic interference intensified. So the ra

5、tional PCB layout to improve its reliability is particularly important. And the most effective solution of solving PCB EMC problem is making electromagnetic compatibility forecast, by the forecast，unreasonable layout of the wiring could be adjusted. The predicting of EMC may solve the EMC problem be

6、fore the products being made, it may save a mass of time and money, and it is an important way could be used to improve the reliability of electronic equipment and the ability of competition.This paper is take a communications unit switching power PCB as the study object, the PCB electromagnetic sim

7、ulation analysis and forecast are carried out. A variety of business integration software is used to achieve the analysis and forecast. The main works include: First, the character of electromagnetic compatibility of the circuit is analyzed. Protel DXP is used on the circuit printed circuit board la

8、yout and the wiring, and the circuit wiring layout in a variety of models were gotten.Secondly, as the past electromagnetic interfere analysis of PCB was carried out from circuit method finally; in this paper, based on the theory of electromagnetic interfere for the PCB, the electromagnetic analyzin

9、g model of the PCB was built. The electromagnetic distribution of the whole PCB was obtained, which has significance guidance to components layout on PCB. And the electromagnetic distribution under different layouts of component was also analyzed.By the simulation of the switching power PCB of the c

10、ommunications unit, the distribution of electromagnetic near-field were gotten，thus effectively reasonable guidance was given on the PCB layout. And, this paper used in the simulation of other electronic products PCB EMC simulation analysis with a reference.Key words：Printed Circuit Board; Electroma

11、gnetic compatibility; Simulation; Analysis 目 录引言11 绪论11.1 课题背景及研究目的和意义11.2 国内外研究动态21.2.1国外研究动态21.2.2国内研究动态31.3 本论文的主要研究工作31.4 本论文的结构安排32 电磁兼容预测基本理论42.1 电磁干扰基本概念42.2 电磁兼容预测定义42.3 电磁兼容预测分类42.3.1传导骚扰52.3.2辐射骚扰52.3.3感应骚扰52.4 电磁兼容预测内容52.5 电磁兼容预测的意义52.6 电磁干扰预测中的主要算法62.6.1场的方法62.6.2 路的方法92.6.3 场路结合102.7 本章

12、内容小结103 通信整机中某开关电源电磁干扰机理113.1 开关电源EMI及其特点113.1.1开关电源EMI介绍113.1.2开关电源EMI特点113.2 开关电源电磁干扰机理分析113.2.1电磁干扰的三要素113.2.2通信整机开关电源电磁干扰分析123.3 抑制PCB干扰主要技术133.4 本章内容小结134 基于Protel DXP的PCB物理模型建立144.1 设计软件介绍144.2 PCB基本参数设计144.2.1叠层的设计154.2.2印制电路板的外形尺寸154.2.3印制电路板基板的选择154.3 印制电路板设计164.3.1建模164.3.2布局174.3.3布线和规则检查

13、174.3.4布线分析204.4 本章内容小节205 基于Ansoft Designer的PCB电磁场仿真分析215.1 有限元电磁场分析软件Ansoft Designer简介215.2 PCB电磁场仿真分析流程215.3 电源PCB电磁场仿真分析225.3.1前期准备225.3.2在Ansoft Designer中生成用于仿真的实体模型225.3.3设定解析条件255.3.4基板电磁场近场仿真结果255.3.5结果分析315.4 不同元件布局下的PCB电磁场仿真分析315.5 本章内容小结336 结论34谢辞35参考文献3635 / 41文档可自由编辑打印引言科技的发展使得各种行业都必须大量

14、采用电子或电气设备，例如通信、电力输配系统、自动化工程、计算机技术、医疗器材、测量仪器等。在这些设备中，往往需要在非常近的距离排列各种电路，从而导致电路间互相干扰。此外，集成电路和大规模的系统集成缩小了电子设备的体积，更多的电路拥塞于更小的空间内，这都增大了产生干扰的可能性，通信整机的电磁干扰问题不容忽视。电磁兼容（EMC: Electromagnetic Compatibility）正是为解决这类问题而迅速发展起来的一门新兴学科，它主要研究电磁干扰和抗干扰的问题。电磁兼容性是指电子设备或系统在规定的电磁环境电平下,不因电磁干扰而降低性能指标,同时它们本身产生的电磁辐射不大于检定的极限电平,不

15、影响其它设备或系统的正常运行,并达到设备与设备、系统与系统之间互不干扰、共同可靠地工作的目的。电子设备和系统的电磁兼容性指标已成为电子设备和系统设计、研制时的一个重要的技术要求。现在已经有了抑制电子设备和系统的电磁干扰(EMI: Electromagnetic Interference)国际标准,统称为电磁兼容标准,它们可以作为普通设计者布线和布局时抑制电磁辐射和干扰的准则,电磁兼容性已成为产品可靠性保证中的重要组成部分。1 绪论1.1 课题背景及研究目的和意义根据多年来电磁兼容技术与工业的发展，对于解决电磁兼容与产品的开发、生产过程之间的关系，在国际上得到了如图1.1的示意图。该图横轴为产品

16、生产过程的各个阶段;纵轴为对该产品解决电磁兼容问题所需的费用，即所需的人力物力。103102101 安装 生产 型号研制 开发 设备生产过程解决EMC的费用图1.1 设备生产过程中不同阶段EMC设计费用的变化该图表明,在产品的研制生产过程中越早注意解决电磁兼容性,则越可以节约人力与物力，在产品开发和型号研制阶段解决电磁兼容问题费用最低。目前电子器材用于各类电子设备和系统仍然以印制电路板为主要装配方式。实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。所以保证印制电路板的电磁兼容性是整个系统设计的关键。根据本课题的研究要求，本文开展了PCB电磁兼容仿真的研

17、究工作。目的是通过对某PCB电磁兼容仿真分析，建立PCB电磁仿真模型，进行电磁兼容仿真设计，并对结果进行分析，得出对PCB进行布局布线的指导性结论。本课题研究的意义在于，利用多种现有商用软件相结合对PCB进行电磁兼容仿真分析，得出PCB的近场E场、H场及坡印廷矢量分布图，对电路的合理布局设计进行指导。其应用意义在于可以把PCB引起的电磁问题处理在产品成型之前，从而降低生产成本，加快产品进入市场步伐，大大缩短产品从设计到最后成型进入市场的周期。1.2 国内外研究动态1.2.1 国外研究动态国外从70年代开始就进行了PCB电磁兼容理论的研究，Mark IMontrose在著作15和16中对PCB电

18、磁兼容的有关理论进行了系统的探讨，并给出了许多有关PCB电磁兼容设计、调试、方面的实例；RLKhan在文献17详细阐述了运用有限元进行PCB的建模研究；在电路仿真方面，Carlsson J以及Ivan Maio等人对电路模型进行电磁兼容预测研究。通过软件仿真来对电子产品的电磁兼容性进行分析,国外开展得比较早, 目前，国外作电磁兼容仿真分析软件产品的公司中，公认效果比较好的公司有：l 美国的ANSOFT公司ANSOFT公司是全球最大的提供以电磁技术为核心的专业EDA厂商，成立于1984年，二十多年来，ANSOFT公司始终领导着世界计算电磁技术的发展方向，是全球最大的专业射频/微波、信号完整性、电

19、磁兼容和电磁干扰、电磁场及机电元件和系统领域仿真软件供应商。Ansoft产品被广泛用于电子设备、集成电路、通讯、航空、航天、汽车、船舶及国防军事部门。Ansoft 采用的是基于物理原型的 EDA 技术，为用户提供的是一个完整的解决方案，而不是单个孤立的点的工具，Ansoft 的解决方案覆盖了从系统、电路到部件级的设计及其协同仿真；它的三大产品线包括：高频设计解决方案、信号完整性和电磁兼容/电磁干扰解决方案、机电系统解决方案；它的关键技术包括：自适应网格剖分技术、64 位求解技术、大矩阵快速压缩算法技术、全波 Spice 技术、PEEC 技术及按需求解技术。Ansoft Designer 是第一

20、个将高频电路系统,版图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一个环境的设计工具。l EMC TECHNOLOGY LTD公司它是一家专业从事电子产品的电磁兼容与可靠性分析、设计和测试的高新技术公司。公司产品以专业性强，实用性高为其显著特点。从电子产品的理论设计，性能分析到产品的样机调试，故障诊断以及最终产品的标准检测等都提供相应的工具和手段。l 德国的 CST 公司(Computer Simulation Technology)它是一家集开发与销售为一体的软件公司，专业开发二维及三维电磁场仿真软件，适用于静电、静磁、稳恒电流、瞬态场、简谐场、带电粒子及热动力场等的分析和综合。1.2.2 国内研究动态国

21、内技术研究主要涉及PCB布线设计以及相应的电磁兼容研究方面，与PCB设计相比，PCB设计过程中的EMC分析和模拟仿真是一个薄弱环节。国内在此方面主要是一些布线经验探讨，涉及到PCB的EMC预测的不多。由于以场的方法进行电磁兼容仿真分析很复杂，编程计算量极大，对硬件设备要求很高，目前国内以场的方法进行电磁兼容仿真分析的报道极少。通过网络查询，在CNKI中国知网数据库中进行检索，中文检索词“PCB”、“电磁兼容”,检索到相关文献21篇。其中晨瑞在文献7中从布局、布线、地线设计、器件处理和信号传输等方面详细讨论了印制电路板设计中抑制干扰及实现电磁兼容的方法。胡林平在文献12中对PCB电磁场仿真有相关

22、介绍。1.3 本论文的主要研究工作本课题选取了通信整机某开关电源作为分析对象；对该开关电源的电磁干扰特性进行了分析；采用Protel DXP对该电路的印制电路板进行了布局布线，建立了PCB的物理模型；之后在有限元电磁场分析软件Ansoft Designer中建立PCB电磁模型，进行电磁场仿真分析得出其近场E场、H场及坡印廷矢量分布图分布，并根据所得的近场分布图对该电路的合理布局设计进行指导。主要内容包括以下四部分：电磁兼容的基本理论。通信整机某开关电源电磁兼容理论分析。PCB的制版。PCB电磁兼容仿真分析预测。1.4 本论文的结构安排根据以上内容,本论文章节安排如下:第一章绪论。第二章电磁兼容

23、预测基本理论。介绍了电磁干扰的基本理论，电磁兼容预测的定义、意义；着重介绍了用于电磁兼容预测的基本方法：场的方法和路的方法。第三章通信整机中某开关电源电磁干扰机理分析。描述了通信整机开关电源EMI及其特点，分析了其电磁干扰机理。第四章基于Protel DXP的PCB物理模型建立。首先根据通信整机某开关电源的原理图，对其PCB的基本参数进行设计，之后使用Protel DXP进行了印制电路板的设计，建立了其PCB的物理模型。第五章基于Ansoft Designer的PCB电磁兼容仿真分析。主要进行了同种布局下PCB不同频率点的电磁兼容仿真分析，和不同布局下同频率点的电磁兼容仿真分析，分析结果对PC

24、B上元件布局和电路布线具有指导意义。第六章结论。2 电磁兼容预测基本理论2.1电磁干扰基本概念电磁骚扰（EMD，Electromagnetic Disturbance）,是“任何可能引起装置、设备或者系统性能降级或对有生命或无生命物质产生作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪音、无用信号或者传播媒介自身的变化”。电磁干扰（EMI，Electromagnetic Interference）,是“电磁骚扰引起的设备、传输通道或者系统性能的下降”。电磁骚扰仅仅是电磁现象，即客观存在的一种物理现象，它可能引起设备性能的降低或者损坏，但不一定已经形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。过去在术语上并未

25、将物理现象与其造成的后果明确划分，统称干扰（Interference）。1990年引入了Disturbance这一术语，给出了明确的区分。但为了方便，通常人们在分析电磁干扰问题时常常与电磁骚扰联系在一起讨论，或者统称为电磁干扰。抗扰度（Immunity）与电磁敏感度（EMS，Electromagnetic Susceptibility），抗扰度是指存在电磁骚扰的情况下，器件、设备或系统性能不降低条件下的正常运行能力；敏感度衡量的是电子设备或分系统对电磁环境所呈现的不希望有的响应程度。敏感度阈值越小，抗扰度越差。电磁兼容（EMC，Electromagnetic Compatibility），是指

26、器件、设备或系统在所处的电磁环境中良好运行，并且不对其所在环境产生任何难以承受的电磁骚扰的能力。EMC涵盖了EMI、EMS两方面。为实现系统内设备不干扰、兼容运行，既要控制骚扰源的电磁发射，又要提高受骚扰对象的抗扰度。2.2 电磁兼容预测定义电磁兼容预测是指：在设计阶段通过计算的方法对电气、电子元件、设备乃至整个系统的电磁兼容特性进行分析。这项技术通常应用在设备或系统研制的方案设计和工程研制阶段，其发展伴随着计算机技术、电磁场计算方法、电路分析方法的发展而发展，目前已受到电磁兼容科研、工程技术人员越来越多的重视。印制电路板的电磁兼容性预测是通过分析计算找出其上产生干扰或易受干扰影响的因素,以便

27、于确定其设计的电磁兼容性控制技术,最终降低PCB的电磁干扰。2.3 电磁兼容预测分类电磁兼容预测具有涉及领域广、研究对象干差万别、预测方法多种多样等特点。研究领域包括所有存在电气、电子设备的场合，这样对电磁兼容预测的分类就变得很复杂，不过可从不同的角度得到相应的分类办法：按预测对象，可分为印制板级预测、部件级预测、分机级预测及系统级预测；从预测所用方法上可分为经验法、解析法、数值法；或分为场的方法、路的方法、场路结合的方法等。考虑工程应用习惯、下面以骚扰传播途径为主线，骚扰类型为辅线，讨论电磁兼容预测的分类并介绍各自的特点。我们知道，任何干扰的产生必然通过某种途径由骚扰源耦合到敏感设备，按骚扰

28、途径的不向可分为传导类骚扰、辐射类骚扰和感应类骚扰。2.3.1传导骚扰传导骚扰的耦合途径是直接相通的电路，骚扰信号正是通过此通路由骚扰源耦合到敏感设备。主要有共地阻抗耦合及共源内阻耦合两种，一般采用路的方法予以分析。2.3.2辐射骚扰辐射骚扰是指通过空间电磁场的耦合。根据频率高低及骚扰源、敏感设备之间的距离不同又可分为近场骚扰和远场辐射骚扰。这决定了预测中算法的不同，而远场骚扰又可进一步细分为共模骚扰和差模骚扰。2.3.3感应骚扰在相互靠近的导体或回路之间亦会形成骚扰，按骚扰机理的不同可进一步分为电场耦合和磁场耦合。(1) 电场耦合电场耦合是指当两个导体相互靠近时，一根导体上的电磁能量会对另一

29、根导体产生影响，表现为电场交链耦合。耦合程度取决于导体的形状、尺寸、周围介质及相对位置，即两导体之间的电容，故又称容性耦合。(2) 磁场耦合与电场耦合不同，磁场耦合是指：如果两个导电回路之间存在磁通交链，当其中之一流过电流时就会在另一回路上形成感应电压，此干扰电压又在受害电路中产生干扰电流。耦合强弱取决于骚扰源频率、强度及两导电回路间的互感等因索，故又称感性耦合。2.4 电磁兼容预测内容电磁兼容预测的内容主要包括：预测要素建模、建立预测方程、分级预测。建模和预测方程是预测的基础，而分级预测则是按先粗后细、层层深入的原则进行展开。然而电磁兼容本身的复杂性决定了电磁兼容预测专业性强、分支体系极其庞

30、杂，因此实际工作必须借计算机的强大计算能力来完成人工不可能进行的预测任务。目前，电磁兼容预测内容的实现都是通过一系列专用的电磁兼容预测软件完成的。2.5 电磁兼容预测的意义过去由于缺乏强有力的计算工具，电磁兼容预测主要是采用解析法或经验公式进行粗略的估计。由于计算手段的局限性，工程中更多的是依赖对设备的电磁兼容测试来发现问题，这样做的最大弊端就是丧失了在设计阶段发现并解决问题的可能性，造成产品研制时间和费用的浪费。而电磁兼容预测技术正是在设计阶段发现问题的最有效手段。目前，随着计算机技术的发展，使开展大规模的电磁兼容预测研究提供了广阔的舞台，有了更加光明的发展前景，国外目前已有多家软件公司开发

31、出了用于电磁兼容预测的大型软件，几乎可以预测在开发电子产品过程所遇到的所有问题。可以把产品的电磁兼容性问题解决在产品成型之前。2.6 电磁干扰预测中的主要算法由于电磁兼容预测对象的多样性，决定了其计算方法的多样性：可以说，计算电磁学的所有方法，从低频到高频，从解析到数值法，都在电磁兼容预测中得到应用；而且，由于实际问题的复杂性，往往还必须结合电路算法才能获得最终的预测结果，以下将分别就场、路的主要算法原理、应用领域予以介绍。2.6.1场的方法场的方法是以分布的观点来观察求解的问题域。其出发点是Maxwell方程组，内容就是求解边值问题。按求解结果与实际解的逼近程度可分为解析法和近似法两类。其中

32、解析法是指利用数学变换，得出严格解。其优点是结果准确并可籍此把握问题域中各变量之间的内在联系、尤其是各参数对所关心结果的影响；但其缺点也很明显，那就是只能求解极少数形状极其简单的场域。所以目前工程领域主要是采用近似法进行求解，这其中，数值法是应用最为广泛的一类方法。可以说，早在Maxwell时代就有数值算法的思想，但其计算量太大，缺乏实用性，正是电子计算机赋予了数值解法真正的生命力。目前在电磁兼容领域常用的数值算法主要包括有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）、边界元法（BEM）及矩量法（MoM）等，下面分别对其进行简单的介绍。(1)有限差分法有限差分法（FDM）的核心思想是以差分代替微分，

33、即从微分方程出发，利用差分原理把微分方程转化为差分方程组，实现连续电磁场域的离散化求解。有限差分法的基本内容包含三个方面：差分方程的形成，边界条件的处理以及方程的求解。差分方程的导出一般采用泰勒级数法。从电磁场的微分方程出发，通过泰勒级数的展开，形成差分方程。根据已知的边界条件，依不同的情况来修正边界上的节点的差分方程形式。最后是对代数方程组的求解。下面依次介绍其实现步骤及应用特点。实现步骤a.边值问题以二维静电场为例，其第一类边值问题可描述为 (2-1)式中，位函数，是坐标的函数。b.场域剖分为了把连续问题离散化处理，必须进行求解域的网格剖分。网格剖分以后，将会产生三类节点：边界节点、不规则

34、节点、规则节点。进行节点分类的原因是由于不同类型的节点有不同的差分格式。c.节点差分格式根据不同类型的节点得出所有节点的差分格式后，最后可合成以各节点电位为未知量的矩阵方程 (2-2)其中，为单元系数矩阵，为节点总数；为节点电位矩阵；为右端项列矩阵。求解(2-2)式就可以得出各节点的位值并进而得出其他的相关参数。应用特点目前，有限差分法已在微波、电磁散射、雷达等领域得到广泛应用。其最大优点就是成熟可靠，程序模块性强；不足之处在于处理几何形状复杂、变化剧烈的场域时有一定的工程难度。(2)有限元法有限元法是根据变分原理和离散化而取得近似解的方法。电磁场的问题一般都可归结于求解偏微分方程的边值问题。

35、有限元法不是直接对电磁场的偏微分方程去求解，而是先从偏微分方程边值问题出发，找到一个能量泛函的积分式，并令其在满足第一边界条件的前提下取极值，即构成条件变分问题。这个条件变分问题是和偏微分方程边值问题等价的。有限元法(FEM)的基本思路是通过与边值问题对比的泛函得出等价的变分问题(即泛函的极值问题)，把连续的求解域离散成剖分单元之和，对泛函求极值，得出有限元矩阵方程，求解后得出整个问题域中的电磁场分布状况。下面以亥姆霍兹(Helmhortz)场的有限元实现为例说明其变分、剖分等关键步骤的实施。变分问题齐次亥姆霍兹场值问题可表述为 (2-3)式中，为边界法线方向；为总边界；为波数。其变分描述为

36、(2-4)场域剖分及单元刚度矩阵在有限元剖分中，可用的单元有多种选择，但在剖分中必须注意以下原则：a.各单元只能以顶点相交、这是建模一致性所要求的；b.求解量在不同单元的同一顶点上相等；c.为保证按统公式计算的单元面积总为正值,各单元顶点的编号顺序须一致,即按逆时针方向编号。获得单元刚度矩阵的关键之一是建立形状函数,其泛函的矩阵表示式如式 (2-5) (2-5)其中，为单元内任一点的场位矩阵；为单元系数矩阵，也称为单元刚度矩阵，对于三角元为矩阵，且 (2-6)式中，为顶点标号，为单元面积，取决于顶点坐标。式 (2-5) 中 (2-7)而且 (2-8)其中是只与单元形状有关的形状函数，它满足式

37、(2-9) (2-9)总体合成由各单元的刚度矩阵可很容易得出合成的总刚度矩阵，为简化讨论，下面以Laplace场为例介绍总系数矩阵的合成。对于Laplace场，有 (2-10)应用特点由于其灵活的场域适应能力，有限元已被广泛应用于多个领域，成为工程计算中一种重要的数值算法。(3)矩量法矩量法（MoM）是一种把连续方程离散化使之成为代数方程组的方法。矩量法又称广义伽辽金（Galcrkin）法，是求解微分方程和积分方程的重要方法，但更多用干求解积分方程。矩量法实施的关键是加权余数法：即通过选择基函数和权函数，把连续域上的连续函数离散成一系列节点上的函数值。基本过程对于算子方程 (2-11)式中，为

38、算子，可以是微分或积分算子；为待求的未知函数；为已知函数，如在天线及散射问题中往往表示源或激励函数。取适当的函数逼近，由式(2-10)可得 (2-12)式中，是余式。引入函数，使余式加权求积后为零，即 (2-13)即 (2-14)引入正交完备函数组，由于任意函数可用级数表示，即 (2-15)取前项近似表示，即 (2-16)式中，是待定系数；为基函数。把上式代入2-13有 (2-17)设为线性算子，则通过等效变换得 (2-18) 为简化讨论，引入内积表述 (2-19)则式 2-16可简化为 (2-20)上式为一联立线性方程组，其中未知量有如下矩阵方程 (2-21)解式（2-21）可得，并进而由式

39、（2-16）得到未知函数的近似解。从上面的过程可看出：矩量法的关键是基于加权余数法，实现积分计算到有限项和式的变化，这其中，基函数、权函数的选择是关键。应用特点矩量法的出发点是加权余数法，基函数、权函数都有多种形式，而基函数与权函数的不同选择可得到不同的方法。有限元的优点是：适用范围广泛，可以应用于区域边界线和内部媒质分界线形状复杂及场域的分布变化较大的场合，有限元法的剖分要比差分法灵活，并且有限元的计算程序通用性比较强。本文采用基于有限元发的电磁分析软件对PCB的电磁场进行仿真分析。2.6.2 路的方法路的分析方法是以集中的观点来观察、研究问题域。电路理论又称电网格理论，是整个电气科学技术中

40、一门极为重要的基础理论。具历史已有 100 多年，但目前工程中用到的算法主要是指 60 年代以后发展起来的近代电路理论，其基础则是根植于以 Kirchhoff 定律、欧姆定律为代表的经典电路理论。从传输的内容来看，可分为实现电能量的产生、传输和转换的电力系统；和实现信息的产生、发送、接收、处理的通讯系统。电磁兼容的研究范围则涵盖两方面的内容。由于应用的广泛性，电路的分类极其庞杂，如按元件特性可分为有源电路、无源电路；线性电路、非线性电路；从响应特征上可分为时变电路、时不变电路；从信号形式上可分为数字电路、模拟电路；从规模上由单立元件电路到集成电路等。在电路理论的发展方面具有以下鲜明特征：全面引

41、入网络图论，紧密与系统理论相结合，深受计算机的冲击，非常重视对非线性电路与系统的研究。在分析方法上有节点类分析方法和网孔类分析方法等，在电磁兼容分析中最常应用的从直流稳态分析和电路的瞬态分析（包括线性电路与非线性电路）。(1)直流稳态分析在直流激励作用下，电路最后达到稳态，我们把这种情况下对电路的分析称为直流分析，而分析的结果称为直流稳态解。如果是对非线性电路作直流分析,可以认为电路中的电容开路而电感短路。这样在电路中的非线性元件只有非线性电阻,其对应的描述方程是非线性代数方程。对于直流稳态分析,欧姆定律就是这种情况下最基本、最重要的描述方程。(2)瞬态分析当电路遇到突然作用的激励时，此时计算

42、电路的瞬态过程称为瞬态分析。若电路是线性的，其功能特性能够用一组线性微分方程来描述；对于非时变的情况，线性微分方程具有常系数；如果电路是非线性的，描述其动态行为的是一组非线性微分代数方程组，对这类问题往往要借助于数值方法。与稳态分析不同，瞬态电路问题的响应不仅与当前激励有关，且与前一个状态有关。2.6.3 场路结合在电磁兼容预测中，单纯路方法或场方法往往难以解决工程问题，而场路相结合将大大改善解决问题的广度和深度。一般而言，通过场的办法提取等效电路参数，形成等效子电路，进而用路的方法进行稳态或瞬态仿真。目前已有这方面的相关软件，可以解决一些工程问题。2.7 本章内容小结本章先介绍电磁干扰的基本

43、理论，包括电磁干扰基本概念，之后介绍了电磁兼容预测的基本理论，包括电磁兼容预测的定义、意义；着重介绍了用于电磁兼容预测的基本方法：场的方法和路的方法，其中场的方法包括有限差分法（FDM）、有限元（FEM）和矩量法（MoM）,分别介绍了它们的理论理基础及其应用特点；路的方法包括直流稳态分析和瞬态分析。本章内容的介绍为下一步PCB电磁兼容预测提供了理论基础。3 通信整机中某开关电源电磁干扰机理本课题研究对象为通信整机的某开关电源。根据研究对象，本章对其主要电磁干扰机理进行了分析说明。3.1 开关电源EMI及其特点3.1.1开关电源EMI介绍开关电源系统包括供电系统、电源单元及负载。电源干扰是通信整

44、机中最主要的、危害最严重的干扰源。电网的冲击可能给通信整机带来毁灭性的破坏。同时，电源是多种干扰信号侵入通信整机的途径。这是因为：(1)电源内阻不可能为零，共用电源的部分其干扰信号都可以通过电源内阻互窜。(2)电网线上的外部干扰（如雷电、电磁发射）进入的渠道。(3)电源负载的断开与接通也将在电网上形成很大的冲击，特别是感性负载的冲击更为严重。(4)电源本身将产生许多干扰信号。3.1.2 开关电源EMI特点与线性稳压电源相比,开关电源具有功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽等特点,但开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰。EMI信号既占有一定的频率范围，又有一定的幅度，经传导和辐射会污染电

45、磁环境，对通信设备和电子仪器造成干扰。如果处理不当，开关电源本身就会变成一个干扰源。实践表明，抑制开关电源的EMI，使之符合有关EMC标准或规范，是解决通信系统电磁兼容问题的关键。开关电源功率变换器中的功率半导体器件的开关频率通常较高,功率开关器件在高频下的通、断过程中不可避免地要产生强大的EMI。与数字电路相比,开关器件功率大,但频率不太高,所以开关电源EMI呈现出鲜明的特点：(1)开关电源EMI干扰源的位置较为清楚,主要集中在功率开关器件、二极管以及与之相连的散热器和高频变压器上。特别应当指出的是印制板布线不当也是引起电磁干扰的一个主要因素，与本课题PCB电磁兼容的对象相符。(2)由于是工

46、作于开关状态的能量转换装置,其电压、电流变化率很高,产生的干扰强度较大。(3)印刷线路板布局通常采用手工布置,具有很大的随意性,这增加了PCB分布参数的提取和近场干扰预估的难度。(4)开关电源主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。3.2 开关电源电磁干扰机理分析3.2.1电磁干扰的三要素所有的电磁干扰都是由三个基本要素组成而产生的，它们是：电磁干扰源；对该干扰能量敏感的设备；耦合路径或者传输通道，如图3.1所示。相应地对抑制所有电磁干扰的方法也应由这三要素着手解决。电磁干扰源耦合路径敏感设备图3.1 简单电磁干扰环境电磁干扰源是指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或者自然现象；耦合路径（或

47、者传输通道）是指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通道或者媒介；敏感设备是指受到电磁干扰影响，或者说对电磁干扰发生响应的设备。3.2.2开关电源电磁干扰分析 从干扰源的类型来分析，一般电子产品在设计时主要考虑自身的感应干扰。本节从通信整机开关电源的主要结构来分析，找出了其主要电磁干扰源。开关电源电原理简图和产生干扰的回路及器件如图3.2所示。图3.2 开关电源的电原理简图和产生干扰的回路其主要干扰如下：(1)一次整流回路的干扰。一次整流回路中，整流二极管D1-D4只在脉动电压超过C1的充电电压的瞬间，电流才从电源输入端流入。正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流, 而是变成单向脉动电源, 此电流

48、波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量的叠加。较高的谐波会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰, 一方面将接在其前端电源线上的电流波形发生畸变, 另一方面通过电源线产生射频干扰,使接收机等产生噪声。(2)开关回路的干扰。变压器型开关回路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的部件, 是开关稳压源的核心,主要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲, 其频带较宽而且谐波分量比较丰富。尖峰电压的干扰来源为电磁辐射。(3)二次整流回路的干扰。电源在工作时，整流二极管D5也处于高频通断状态，由脉冲变压器次级线圈L2、整流二极管D5和滤波电容C2构成了高频开关电流环路，可能

49、向空间辐射干扰。如果电容C2滤波不足，则高频电流将以差模形式混在输出直流电压上，影响负载电路的正常工作。(4)控制回路的干扰。控制回路中的脉冲控制信号是主要的干扰源。(5)分布电容引起的干扰。Ci的作用。散热片K与开关管T的集电极绝缘垫较薄，因此两者之间的分布电容Ci在高频时不能忽略。因此高频电流会通过Ci流到散热片上，再流到机壳地，最终流到与机壳地相连的交流电源的保护地线PE中，以产生共模辐射干扰。Cd的作用。脉冲变压器的初、次级之间存在的分布电容Cd，可能会将原边高频电压直接耦合到副边上去，在副边上用作直流输出的两条电源线上产生的共模干扰。(6)来自电源线及电网的干扰。3.3 抑制PCB干

50、扰主要技术：不管复杂系统还是简单装置,任何一个电磁干扰的发生必须具备电磁干扰的三要素。所以控制干扰源的电磁辐射,切断或抑制电磁干扰的耦合通道,提高敏感设备的抗干扰能力是电子设备和系统电磁兼容性设计的主要内容。(1)减小干扰源的干扰能量(2)破坏及减弱干扰噪声传播路径(3)屏蔽(4)合理的元件布局与布线元器件布局的合理性直接关系到电源电路EMI水平的好坏，开关电源电路中功率器件的切换可以在连线上产生很大的干扰信号，它可以通过磁场（互感）和电场（电容）耦合到其它线路中造成干扰。一般来说，开关电源的干扰源主要集中在电压、电流变化率大的元件和导线上，如功率场效应管，快恢复二极管，高频变压器以及与之相连的导线，敏感线路主要是指控制电路和直接与干扰测量设备相连的线路，因为这些干扰耦合可能会直接影响到电路的正常工作以及对外发射的干扰水平。要降低干扰水平，最简单的方法就是增大干扰源与敏感线路的间距，但由于受电源尺寸的限制，单纯的增大间距并非解决问题的最佳途径，更为合理的方法是根据干扰电场的分布情况将敏感线路放在干扰较弱的地方。3.4