EMI-simulatieontwerp van schakelende voeding
Met de toename van de schakelfrequentie en vermogensdichtheid wordt de elektromagnetische omgeving binnen de schakelende voeding steeds ingewikkelder, en de elektromagnetische compatibiliteit ervan is een belangrijk aandachtspunt en een groot probleem geworden bij het ontwerpen van voedingen. Bij de conventionele ontwerpmethode wordt het EMC-probleem aangepakt door middel van empirisch ontwerp, en het EMC-probleem kan pas definitief in overweging worden genomen nadat het prototype is vastgesteld. De traditionele EMC-oplossing kan alleen maar extra componenten toevoegen, die de oorspronkelijke bandbreedte van de regellus kunnen beïnvloeden, wat in het ergste geval resulteert in het opnieuw ontwerpen van het hele systeem en het verhogen van de ontwerpkosten. Om deze situatie te voorkomen, is het noodzakelijk om de EMC-problemen in het ontwerpproces in overweging te nemen, de EMI van de schakelende voeding met een bepaalde nauwkeurigheid te analyseren en te voorspellen, en het ontwerp te verbeteren op basis van het interferentiemechanisme en de distributie ervan in elke frequentieband om verlaag het EMI-niveau, waardoor de ontwerpkosten worden verlaagd.
2 schakelende voeding EMI-karakteristieken en classificatie
Om de geleide elektromagnetische interferentie van schakelende voedingen te voorspellen, is het noodzakelijk om het opwekkingsmechanisme ervan en de kenmerken van geluidsbronnen duidelijk te maken. Vanwege de snelle schakelwerking van de stroomschakelaarbuis zijn de spannings- en stroomveranderingssnelheid zeer hoog, en bevatten de stijgende en dalende flank rijke hogere harmonischen, dus de elektromagnetische interferentie-intensiteit is groot; De elektromagnetische interferentie van schakelende voedingen concentreert zich voornamelijk in de buurt van diodes, stroomschakelapparaten, radiatoren en hoogfrequente transformatoren die daarmee verbonden zijn; Omdat de schakelfrequentie van de schakelbuis varieert van tientallen kHz tot enkele MHz, zijn de interferentievormen van de schakelende voeding voornamelijk geleide interferentie en nabije veldinterferentie. Onder hen zal geleide interferentie via het voortplantingspad van het geluid in het elektriciteitsnet worden geïnjecteerd en interfereren met andere apparaten die op het elektriciteitsnet zijn aangesloten.
Geleide interferentie van schakelende voeding kan in twee categorieën worden verdeeld.
1) Differentiële modus (DM)-interferentie. DM-ruis wordt voornamelijk veroorzaakt door di/dt. Door middel van parasitaire inductie en weerstand plant het zich voort in de lus tussen stroomvoerende draad en neutrale draad, waardoor stroom Idm tussen de twee draden wordt gegenereerd, die geen lus vormt met de aarddraad.
2) Common Mode (CM)-interferentie. CM-ruis wordt voornamelijk veroorzaakt door dv/dt. De parasitaire capaciteit van PCB plant zich voort in de lus tussen twee hoogspanningslijnen en aarde, en de interferentie dringt binnen tussen de lijn en aarde. De stoorstroom vloeit op elk van de twee lijnen in tweeën, met aarde als gemeenschappelijke lus. In het eigenlijke circuit zal de common-mode signaalinterferentie, als gevolg van de ongebalanceerde lijnimpedantie, worden omgezet in overspraakinterferentie die niet gemakkelijk te elimineren is.
Simulatieanalyse van EMI in schakelende voeding
Theoretisch gesproken, of het nu gaat om tijddomeinsimulatie of frequentiedomeinsimulatie, zolang er een redelijk analysemodel is opgesteld, kunnen de simulatieresultaten de EMI-kwantiseringsgraad van het systeem correct weergeven.
De tijddomeinsimulatiemethode moet een circuitmodel opstellen inclusief alle componentparameters in de converter, PSPICE- of Sabre-software gebruiken voor simulatieanalyse en de snelle Fourier-analysetool gebruiken om de spectrumgolfvorm van EMI te verkrijgen. Deze methode is geverifieerd bij de analyse van DM-ruis. De niet-lineaire kenmerken en verdwaalde parameters van halfgeleiderapparaten zoals MOSFET en IGBT bij schakelende voeding maken het model echter erg ingewikkeld, en de circuittopologie van schakelende voeding verandert voortdurend wanneer deze werkt, wat leidt tot het probleem van niet-convergentie in simulatie. Bij het bestuderen van CM-ruis moeten alle parameters van parasitaire elementen worden opgenomen. Vanwege de invloed van parasitaire parameters zijn de FFT-resultaten moeilijk te evenaren met de experimentele resultaten. Schakelvermogensomzetters werken doorgaans met een groot bereik aan tijdconstanten, die voornamelijk drie groepen tijdconstanten omvatten: tijdconstanten gerelateerd aan de basisfrequentie van de uitgangsterminal (tientallen ms); Tijdconstante (tientallen μs) gerelateerd aan de schakelfrequentie van schakelelementen; Tijdconstante (meerdere ns) gerelateerd aan de stijg- en daaltijd wanneer het schakelelement wordt in- of uitgeschakeld.
Om deze reden moet bij tijddomeinsimulatie een zeer kleine rekenstap worden gebruikt, en het duurt lang om de berekening te voltooien; Bovendien kunnen de met de tijddomeinmethode verkregen resultaten vaak niet duidelijk de invloed van verschillende variabelen in het circuit op interferentie analyseren, kunnen ze het EMI-gedrag van schakelende voedingen niet diepgaand verklaren en missen ze het oordeel over het EMI-mechanisme, en kunnen ze geen een duidelijke oplossing om EMI te verminderen.
