一種車載充電系統(tǒng)開關(guān)電源的EMC仿真分析
摘要 介紹了一種車載充電系統(tǒng)開關(guān)電源的工作原理,并對其實(shí)際工作中的EMI問題進(jìn)行分析討論,利用仿真軟件Hyperlynx對該系統(tǒng)的PCB板圖進(jìn)行了電磁兼容仿真分析,得到PWM信號(hào)所在網(wǎng)絡(luò)的電壓波形和EMC頻譜圖,仿真結(jié)果顯示,增加線距、減小線長、減小介質(zhì)層厚度、凈化Aggressor信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)的合理端接將對開關(guān)電源EMI問題實(shí)現(xiàn)有效抑制,仿真所得結(jié)果對電路的合理設(shè)計(jì)和布局有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞 車載充電系統(tǒng);開關(guān)電源;電磁兼容性仿真
1 開關(guān)電源電磁干擾機(jī)理與抑制措施
開關(guān)電源的開關(guān)器件應(yīng)用較多的是MOSFET和GIBT。其在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的電壓、電流變化率。開關(guān)電源中的開關(guān)器件在關(guān)斷時(shí),電壓/電流的變化率較大,會(huì)造成較大干擾。為抑制開關(guān)電源的干擾,必須了解干擾源所產(chǎn)生噪聲信號(hào)的頻譜特性。開關(guān)電源線路如圖1所示。
1.1 開關(guān)電源噪聲源分析
1.1.1 功率開關(guān)管
一般來說,功率開關(guān)管及其散熱片與設(shè)備外殼和電源內(nèi)部的引線間存在著分布電容。當(dāng)開關(guān)管頻繁導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí),會(huì)有矩形波的形成,這種矩形波含有豐富的高頻成分。由于開關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間、輸入輸出電容、整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間等,會(huì)造成很大的尖峰電流,當(dāng)其流經(jīng)變壓器和電感產(chǎn)生的電磁場都可能形成噪聲源,甚至可以擊穿開關(guān)管。
1.1.2 高頻變壓器
當(dāng)原導(dǎo)通開關(guān)管關(guān)斷時(shí),高頻變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢E=-LP·di/dt,其值與集電極的電流變化率成正比,與漏感成正比,迭加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰,從而形成傳導(dǎo)干擾。它既影響其他設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,也影響自身的工作。開關(guān)電源中的變壓器作用是:隔離與儲(chǔ)能。在高頻情況下,其隔離不完全,變壓器層間的分布電容使開關(guān)電源中的高頻噪聲易在初次級之間傳遞。變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路,而使變壓器周圍產(chǎn)生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲。
1.1.3 整流二極管
在輸出整流二極管截止時(shí)有一個(gè)反向電流,其恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流恢復(fù)到零點(diǎn)的二極管稱為硬恢復(fù)二極管。它會(huì)在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下產(chǎn)生較強(qiáng)的高頻干擾,其頻率可達(dá)幾十MHz。PN型硅二極管用作高頻整流時(shí),正向電流蓄積的電荷在加反向電壓時(shí)不能立即消除,只要這個(gè)反向電流恢復(fù)時(shí)的電流斜率過大,流過變壓器線圈的電感就會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓。
1.1.4 電容、電感器和導(dǎo)線
開關(guān)電源由于工作在較高頻率,會(huì)使低頻元器件特性發(fā)生變化,如電路中的電容、電感和導(dǎo)線,在高頻條件下會(huì)呈現(xiàn)出相應(yīng)的特性變化,由此產(chǎn)生噪聲,在對器電路進(jìn)行分析時(shí)需考慮其高頻模型。
1.1.5 PCB板設(shè)計(jì)
實(shí)際中,由于PCB設(shè)計(jì)不當(dāng),也會(huì)引起PCB板線與線之間、器件與線之間的干擾,如線長、線間距及介質(zhì)層厚度等。這種干擾較為集中的體現(xiàn)為PCB板上的串?dāng)_和反射。因此,合理的PCB布局,在工程設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)不容忽視的因素。
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