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(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(chǎng)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(shì)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(jí)之間傳遞。變壓器對(duì)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(chǎng)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(duì)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(zhǎng)、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。1．2 常見的開關(guān)電源EMI抑制措施
在工程應(yīng)用中，針對(duì)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(huì)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(chǎng)不能越出這一區(qū)域，而外來的輻射電磁場(chǎng)不能進(jìn)入這一區(qū)域。
(2)濾波技術(shù)。濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種有效的辦法。從頻譜角度分析，濾波是壓縮信號(hào)回路騷擾頻譜的一種方法，當(dāng)騷擾頻譜成分不同于有用信號(hào)頻帶時(shí)，可以用濾波器進(jìn)行騷擾濾除。濾波器的作用是允許工作信號(hào)通過，而對(duì)非工作信號(hào)進(jìn)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(duì)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(shí)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(hù)設(shè)施和人身安全的必要手段。“接地”的一個(gè)含義是為實(shí)際的電路或系統(tǒng)提供一個(gè)零電位參考點(diǎn)，也就是平常所說的接大地，另一個(gè)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(gè)公共參考電位點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，主要考慮安全接地和信號(hào)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(jí)結(jié)構(gòu)：一級(jí)為APFC變換，將市電220 V變換成380 V直流電壓；二級(jí)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(duì)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，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(jī)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(shí)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(duì)電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。由于APFC的穩(wěn)壓作用，使得后級(jí)的DC／DC變換電路的工作點(diǎn)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?fù)洹？刂菩酒琒G2525產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)光耦隔離耦合后驅(qū)動(dòng)半橋電路中的功率開關(guān)。單片機(jī)控制選通電壓或電流信號(hào)給SG2525，來實(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)前級(jí)的APFC變換以及后級(jí)的半橋式變換，實(shí)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(fù)極，整個(gè)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(gè)充電過程的控制及顯示信號(hào)由DC-DC板上的單片機(jī)控制信號(hào)輸入接口P3與控制板進(jìn)行信號(hào)傳遞。對(duì)于一些外掛元件，由P_CTR1控制信號(hào)與功率繼電器的控制線相連接，S_CTRL與軟啟動(dòng)繼電器的控制線相連接，F(xiàn)AN與機(jī)殼上的交流風(fēng)扇相連接，P_SW為整個(gè)系統(tǒng)功率回路的通斷接口，Rtemp則為散熱器溫度檢測(cè)傳感器的接口。
3 仿真與分析
采用Hypelynx電路仿真軟件，對(duì)系統(tǒng)最可能出現(xiàn)EMI問題的DC-DC變換部分進(jìn)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(diǎn)。可以在PCB制作之前盡可能地發(fā)現(xiàn)并解決隱藏的信號(hào)完整性和電磁兼容性問題，最大限度地減小產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(hào)完整性分析、串?dāng)_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(jì)為例，對(duì)其關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)前面提出的設(shè)計(jì)方法，利用Boardsim分析設(shè)計(jì)中的信號(hào)完整性、電磁兼容性和串?dāng)_問題，生成串?dāng)_強(qiáng)度報(bào)告，區(qū)分并解決串?dāng)_問題。3．1 仿真設(shè)置
對(duì)設(shè)計(jì)好的PCB文件，先將其轉(zhuǎn)換成HYP格式的PCB文件，再進(jìn)行布線后的信號(hào)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(jìn)行電磁兼容性的交互式批處理仿真，并對(duì)其中核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jìn)行實(shí)際仿真操作時(shí)，需要先將其轉(zhuǎn)換成為PCB layout能夠識(shí)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(zhǔn)備。
3．2 EMC仿真
對(duì)圖示PCB圖進(jìn)行批處理仿真，生成的Hyperlynx軟件仿真報(bào)告全面
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