阅读说明：本技术 一种dc/dc变换器寄生参数提取方法 (Method for extracting parasitic parameters of DC/DC converter ) 是由 王世山 李孟子 胡翔翔 杨随鑫 郭静 于 2020-04-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种DC/DC变换器寄生参数提取的方法,选其中一部分微带线作为参考线,其余作为信号线,根据信号线与参考线及周围电介质属性,将微带线与介质划分为若干单元,加以适当的边界条件,通过系统能量提取微带线寄生电容；分别对各线路加电流源,根据每个单元的电流密度和电压分布计算相应的寄生电阻；将系统内电介质全部换为自由空间,重新提取该条件下的微带线寄生电容,根据提取结果构造静电感应矩阵,利用传输线的感容参数关系提取微带线寄生电感,本发明的DC/DC变换器寄生参数提取的方法,能够解决DC/DC变换器的PCB微带线的寄生参数分析,以及高频共模噪声电流的建模和预测问题。(The invention discloses a method for extracting parasitic parameters of a DC/DC converter, wherein a part of microstrip lines are selected as reference lines, the rest are selected as signal lines, the microstrip lines and a medium are divided into a plurality of units according to the attributes of the signal lines, the reference lines and surrounding dielectric media, proper boundary conditions are added, and parasitic capacitance of the microstrip lines is extracted through system energy; applying a current source to each line, and calculating corresponding parasitic resistance according to the current density and voltage distribution of each unit; the method for extracting the parasitic parameters of the DC/DC converter can solve the problems of parasitic parameter analysis of the PCB microstrip line of the DC/DC converter and modeling and prediction of high-frequency common-mode noise current.)

一种DC/DC变换器寄生参数提取方法

技术领域

本发明属于预测电磁寄生参数和耦合路径的领域，主要是设计一种基于电容耦合的远场辐射预测模型。

背景技术

功率变换器的小型化、集成化、高频化趋势使得系统内的电磁干扰问题越发突出，其开关频率已可达到数百千赫甚至几兆赫，开断时间也接近纳秒级。高频化趋势在使得变换器功率密度提高的同时也带来了更严重的电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)问题。在高频电路中，电力电子器件开关过程中产生很大的di/dt和du/dt，由于电路元件的寄生参数的存在，系统内共模电流耦和路径建立，而共模噪声电流贡献了主要的远场辐射。器件开关过程中的瞬时电压过冲，造成器件误触发，干扰周围器件正常工作。

目前，对微带线提取寄生参数方法分为两类：第一种方法利用数值方法近似计算；第二种方法根据预先测量的通用模型的参数，利用已有的基本模型的参数进行拟合。第一种方法适用于形状规则的系统，对于不规则形状微带线的处理有较大的误差；第二种方法依赖于已有的模型参数，对于具有特殊性质的系统通用性较弱。

发明内容

发明目的：为了提取DC/DC变换器系统的寄生参数，针对现有参数提取方法的不足，本发明提供一种基于数值计算和阻抗分析提取变换器系统感容寄生参数的方法。

技术方案：

一种DC/DC变换器寄生参数提取方法，包括如下步骤：

步骤1，获取DC/DC变换器结构及参数，包括信号线和参考线的布局、每条信号线和参考线的厚度、电介质的相对电容率、相对磁导率及其随温度的变化以及接地线的位置，所述接地线为无穷大接地平面，将接地线作为参考线，其他微带线作为信号线，各信号线分别编号1、2……n，参考线为导体0，构造(n+1)导体传输线系统；

步骤2，设置边界条件，分别轮流对部分导体施加电压激励，其余导体接地，计算相应边界条件下系统储能，列出寄生电容矩阵；

步骤3，将微带线划分为若干单元，根据时谐场的有限元分析提取微带线的高频交流内电阻；

步骤4，将系统内电介质全部替换为为自由空间，即真空；当系统内为非均匀介质时，保留微带线结构，将电介质虚拟地替换为自由空间，即在在计算求解时将空间属性替换为自由空间的属性，提取自由空间内微带线寄生电容参数，构造静电感应系数矩阵；

步骤5，利用自由空间内寄生电感与静电感应系数的关系提取微带线系统的寄生电感矩阵。

进一步地，所述微带线为铜线，且相对周围介质可忽略厚度。

进一步地，步骤2具体为，利用系统能量及电压分布提取各微带线的寄生电容，保持接地的参考线电位为0，将部分信号线与参考线等电位，其余信号线加电压U，求解该状态下系统储能，通过储能与电容的关系联立关于寄生电容的方程组，求解得到寄生电容矩阵C，具体形式如下：

其中，c_ij为第i号与第j号微带线的互容，c_ii为第i号微带线的自容。

进一步地，步骤2中，系统储能公式为：

进一步地，步骤4中，静电感应系数矩阵为：

其中，静电感应矩阵的元素

进一步地，步骤5中，自由空间中寄生电感与静电感应系数矩阵的关系为：

其中，μ₀、ε₀分别为真空中的磁导率和电容率

有益效果：

本发明提供的方案采用数值计算方法对变换器系统感容寄生参数进行预测，能够得到变换器系统中PCB导线、元件引线、过孔与接地平面之间互相的寄生电容和电感，能够解决DC/DC变换器的PCB微带线的寄生参数分析，以及高频共模噪声电流的建模和预测问题，与传统解析估计相比，通过本方案得到的寄生电容和寄生电感参数具有更精确的参考意义。

附图说明

图1为实例中提取微带线寄生参数提取方法的流程图；

图2为DC/DC(Boost)变换器、主要寄生参数及共模电流耦合路径；

图3为变换器系统部分布线示意；

图4为寄生电阻提取单元示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的描述。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助解释本发明实施方式。

图1为实例中提取微带线寄生参数提取方法的流程图，包括如下步骤：

步骤1，获取DC/DC变换器结构及参数，包括信号线和参考线的布局、每条信号线和参考线的厚度、电介质的相对电容率、相对磁导率及其随温度的变化以及接地线的位置，所述接地线为无穷大接地平面，将接地线作为参考线，其他微带线作为信号线，各信号线分别编号1、2……n，参考线为导体0，构造(n+1)导体传输线系统；

步骤2，设置边界条件，分别轮流对部分导体施加电压激励，其余导体接地，计算相应边界条件下系统储能，列出寄生电容矩阵；

步骤3，将微带线划分为若干单元，根据时谐场的有限元分析提取微带线的高频交流内电阻；

步骤4，将系统内电介质全部替换为为自由空间(即真空)；当系统内为非均匀介质时，保留微带线结构，将电介质虚拟地替换为自由空间(即在在计算求解时将空间属性替换为自由空间的属性)，提取自由空间内微带线寄生电容参数，构造静电感应系数矩阵；

步骤5，利用自由空间内寄生电感与静电感应系数的关系提取微带线系统地寄生电感矩阵。

以Boost变换器为例，如图2所示，与输入侧电源相连的导线为双绞线缆；C_in、C_out分别是输入、输出的滤波电容；S是MOSFET；节点N₀是PCB上S的漏极、电感L、二极管D相连的区域。变换器工作时，节点N₀的电压和电流产生的突变，使晶体管S成为噪声电压源V_n。在高频段30～1000MHz，电容C_in、C_out可视为短路，电感L可视为开路。系统中高频噪声电流主要受寄生参数影响，这其中寄生电容占主导地位，C₁、C₂是输入侧进线与参考面之间的寄生电容；N₀与参考面之间的寄生电容为C_CM。共模电流的流通路径如图2中虚线所示，具体的，由于微带线的形状和面积设置较为灵活，下文不再区分金属线与金属面，选取一微带线作为参考线或参考面，则其他微带线为信号线或信号面。

如图3所示，由于所述PCB微带线布局紧凑、分层较多，金属线之间存在较多形状不规则地重叠区域。根据平行板电容公式C＝εS/h，其中ε为介质电容率，S为上下微带线的正对面积，h为两层微带线的间距，即PCB的厚度。在本实例中，微带线层的厚度t为35μm，电介质层厚度不小于1500μm，微带线厚度远小于电介质的厚度，因此可将电介质的厚度视为微带线的间距h。将接地线作为参考线，其他微带线作为信号线，各信号线分别编号1、2……n，参考平面为导体0，则该PCB构成(n+1)导体的微带传输线系统。记c_ij为第i号与第j号微带线的互容，c_ii为第i号微带线的自容，则微带线寄生电容矩阵为：

且该矩阵具有互易性，满足

c_ij＝c_ji(1≤i，j≤n) (2)

分别对部分信号线施加电压激励U，其余信号线与参考线设置零电位，则等电位的微带线之间的电容可视为短接，其余寄生电容为并联关系。提取相应激励下的系统电场强度和电通密度的分布，通过

求解系统储能，联立形如

的n(n+1)/2个方程，即可解出微带线的寄生电容矩阵；其中，W为系统总能量，D为系统内电通密度，E为系统内电场强度，V为系统体积；U为激励电压。

图4为寄生电阻提取单元示意，当假定电流均匀分布在微带线截面上时，则微带线电阻为R＝l/σwt，其中l为导线长度，σ为线材电导率，w为微带线宽度，t为微带线厚度。对微带线施加高频激励源，由于集肤效应其内部电流将趋向于导体外表面。考虑到其集肤深度的不均匀性及电大尺寸导致的导体电压不一致，应将微带线划分为若干计算单元，忽略导线间的电导，建立基于时谐场的有限元模型，提取微带线的高频交流内电阻。

采用数值法直接提取寄生电感误差较大，而前述寄生电容和电阻的提取结果具有较高的精度。由于电介质均为非磁导体，改变其电容率对微带线的寄生电感的影响可以忽略。

虚拟地，保留(n+1)导体微带线的空间结构，将原系统内填充电介质的区域全部替换为填充自由空间，利用前述电容提取方法重新提取自由空间下微带线的寄生电容矩阵C₀。从而构造自由空间下静电感应系数矩阵

其中，静电感应矩阵的元素为

在系统内介质全部为自由空间的情况下，根据自由空间中寄生电感与静电感应系数矩阵的关系：

即可提取微带线在均匀自由空间内寄生电感

其中，l_ii为微带线自感、l_ij为第i、j号微带线的互感。

忽略介质变化对寄生电感的影响，则微带线寄生电感矩阵L如下：

L＝L₀ (7)

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。