一種車載充電系統(tǒng)開關(guān)電源的EMC仿真分析

1 開關(guān)電源電磁干擾機理與抑制措施
    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)斷時會產(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,電壓/電流的變化率較大,會造成較大干擾。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。當開關(guān)管頻繁導通和關(guān)斷時,會有矩形波的形成,這種矩形波含有豐富的高頻成分。由于開關(guān)管的存儲時間、輸入輸出電容、整流二極管的反向恢復時間等,會造成很大的尖峰電流,當其流經(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
    當原導通開關(guān)管關(guān)斷時,高頻變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電動勢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,從而形成傳導干擾。它既影響其他設(shè)備的安全和經(jīng)濟運行,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有一個反向電流,其恢復到零點的時間與結(jié)電容等因素有關(guān)。其中能將反向電流恢復到零點的二極管稱為硬恢復二極管。它會在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下產(chǎn)生較強的高頻干擾,其頻率可達幾十MHz。PN型硅二極管用作高頻整流時,正向電流蓄積的電荷在加反向電壓時不能立即消除,只要這個反向電流恢復時的電流斜率過大,流過變壓器線圈的電感就會產(chǎn)生尖峰電壓。
1.1.4 電容、電感器和導線
    開關(guān)電源由于工作在較高頻率,會使低頻元器件特性發(fā)生變化,如電路中的電容、電感和導線,在高頻條件下會呈現(xiàn)出相應(yīng)的特性變化,由此產(chǎn)生噪聲,在對器電路進行分析時需考慮其高頻模型。
1.1.5 PCB板設(shè)計
    實際中,由于PCB設(shè)計不當,也會引起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板上的串擾和反射。因此,合理的PCB布局,在工程設(shè)計中是一項不容忽視的因素。1.2 常見的開關(guān)電源EMI抑制措施
    在工程應(yīng)用中,針對開關(guān)電源的工作原理,可從以下幾方面著手解決其EMI問題:
    (1)屏蔽技術(shù)。屏蔽是抑制開關(guān)電源輻射干擾的一種方法,用電磁屏蔽的方法解決電磁干擾問題不會影響電路的正常工作。所謂電磁屏蔽就是以某種材料制成的屏蔽殼體,將需要屏蔽的區(qū)域封閉,形成電磁隔離,即其內(nèi)的電磁場不能越出這一區(qū)域,而外來的輻射電磁場不能進入這一區(qū)域。
    (2)濾波技術(shù)。濾波是抑制傳導干擾的一種有效的辦法。從頻譜角度分析,濾波是壓縮信號回路騷擾頻譜的一種方法,當騷擾頻譜成分不同于有用信號頻帶時,可以用濾波器進行騷擾濾除。濾波器的作用是允許工作信號通過,而對非工作信號進行最大程度地衰減。在電源輸入端加接濾波器可以有效抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的干擾以及其反饋回電網(wǎng)的干擾,也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。
    (3)接地技術(shù)。接地技術(shù)不僅是保證系統(tǒng)正常工作的有效手段,同時也是抑制電磁干擾,保障設(shè)備或系統(tǒng)電磁兼容性,提高設(shè)備或系統(tǒng)可靠性的重要技術(shù)措施,是保護設(shè)施和人身安全的必要手段!敖拥亍钡囊粋含義是為實際的電路或系統(tǒng)提供一個零電位參考點,也就是平常所說的接大地,另一個含義是為電路或系統(tǒng)與“地”之間建立低阻抗通路,也就是在設(shè)備里建立一個公共參考電位點。實際應(yīng)用中,主要考慮安全接地和信號接地兩大類。

2 某車載充電系統(tǒng)工作原理
2.1 充電器主回路
    充電器主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示,采用兩級結(jié)構(gòu):一級為APFC變換,將市電220 V變換成380 V直流電壓;二級為DC/DC變換,將380 V直流電壓變換成電池組需要的充電電壓,對于72 V的鉛酸電池,其充電電壓最高值為84.6 V。

    交流輸入后接EMI濾波器,來抑制充電器產(chǎn)生的高次諧波,以符合相應(yīng)的電磁兼容測試標準;同時,EMI濾波器可以有效衰減來自于電網(wǎng)的干擾,提高充電器的抗干擾性能。由于有源功率因數(shù)校正(APFC)電路輸出端的濾波電容較大,在開機瞬間有較大的浪涌電流,沖擊甚至燒毀整流橋,所以需串聯(lián)限流電阻,抑制浪涌電流,在電容充電穩(wěn)定后控制繼電器短路限流電阻。
    在整流橋后,采用ICE2PCS01構(gòu)成平均電流控制的APFC電路,實現(xiàn)輸入電流波形正弦化,與電壓同相,使輸入功率因數(shù)<92%,降低了電源對電網(wǎng)的干擾,滿足了現(xiàn)行諧波限制標準。由于APFC的穩(wěn)壓作用,使得后級的DC/DC變換電路的工作點穩(wěn)定,提高了控制精度和效率。
    DC/DC變換電路采用半橋式拓撲。控制芯片SG2525產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動信號,經(jīng)光耦隔離耦合后驅(qū)動半橋電路中的功率開關(guān)。單片機控制選通電壓或電流信號給SG2525,來實現(xiàn)恒壓或恒流充電。
2.2 系統(tǒng)連接示意圖
    如圖3所示,該充電器系統(tǒng)主要由4塊電路板組成,其中包括AC-DC電路板,DC-DC電路板,供電電路板和控制板。各電路板間的接口連接示意圖如圖3所示,交流市電輸入AC-DC板,經(jīng)橋式整流后,由DC+、DC-兩個連接端子與DC-DC板上的DC+及DC-端子相連接。DC-DC電路板上主要實現(xiàn)前級的APFC變換以及后級的半橋式變換,實現(xiàn)鉛酸電池的無損傷快速充電。BAT+和BAT-分別連接鉛酸電池的正極和負極,整個電路系統(tǒng)的供電由供電電路板提供,其中DC-DC電路板通過副邊供電輸入端P5、原邊供電輸入端P4與內(nèi)部供電板相連接,而整個充電過程的控制及顯示信號由DC-DC板上的單片機控制信號輸入接口P3與控制板進行信號傳遞。對于一些外掛元件,由P_CTR1控制信號與功率繼電器的控制線相連接,S_CTRL與軟啟動繼電器的控制線相連接,F(xiàn)AN與機殼上的交流風扇相連接,P_SW為整個系統(tǒng)功率回路的通斷接口,Rtemp則為散熱器溫度檢測傳感器的接口。

 3 仿真與分析
    采用Hypelynx電路仿真軟件,對系統(tǒng)最可能出現(xiàn)EMI問題的DC-DC變換部分進行建模。目前Hyperlynx是應(yīng)用最為廣泛的電路完整性與電磁兼容性仿真軟件。具有操作容易、易于掌握的特點?梢栽赑CB制作之前盡可能地發(fā)現(xiàn)并解決隱藏的信號完整性和電磁兼容性問題,最大限度地減小產(chǎn)品設(shè)計失敗的概率,提高電路系統(tǒng)工作的可靠性,從而縮短開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。HyperLynx的。BoardSim支持信號完整性分析、串擾分析和電磁兼容性分析。本節(jié)以充電系統(tǒng)中DC-DC變換部分的PCB設(shè)計為例,對其關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)進行仿真分析,根據(jù)前面提出的設(shè)計方法,利用Boardsim分析設(shè)計中的信號完整性、電磁兼容性和串擾問題,生成串擾強度報告,區(qū)分并解決串擾問題。3.1 仿真設(shè)置
    對設(shè)計好的PCB文件,先將其轉(zhuǎn)換成HYP格式的PCB文件,再進行布線后的信號完整性和電磁兼容性仿真。


    如圖4,圖5所示是圖3中DC-DC變換電路HYP格式下的PCB文件及其原理圖,以此PCB為例,進行電磁兼容性的交互式批處理仿真,并對其中核心網(wǎng)絡(luò)進行EMI輻射仿真。


    原DC-DC變換電路的PCB板圖是利用Protel繪制而成。在進行實際仿真操作時,需要先將其轉(zhuǎn)換成為PCB layout能夠識別的格式,再利用layout自帶的工具轉(zhuǎn)換成為HYP格式的PCB文件,為下一步的仿真做準備。
3.2 EMC仿真
    對圖示PCB圖進行批處理仿真,生成的Hyperlynx軟件仿真報告全面

 


【上一個】 開關(guān)電源的工作原理 【下一個】 解析開關(guān)電源產(chǎn)生浪涌電流的原因


 ^ 一種車載充電系統(tǒng)開關(guān)電源的EMC仿真分析