一種車載充電系統(tǒng)開關(guān)電源的EMC仿真分析

李 民，邱紫敬，王曉明，許 悅

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

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［3］。開關(guān)電源線路如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源線路簡圖

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，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(fù)時問等，會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，高頻變壓器的漏感所產(chǎn)生的反電動勢E=－LP·d i/d t，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(fù)到零點(diǎn)的時間與結(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，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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行分析時需考慮其高頻模型。

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。

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［4］:

(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(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頻帶時，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通過，而對非工作信號進(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(hù)設(shè)施和人身安全的必要手段?！敖拥亍钡囊粋€含義是為實(shí)際的電路或系統(tǒng)提供一個零電位參考點(diǎn)，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(diǎn)。實(shí)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。

圖2 充電器主電路結(jié)構(gòu)

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(biāo)準(zhǔn);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(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)??？刂菩酒琒G2525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(jī)控制選通電壓或電流信號給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)前級的APFC變換以及后級的半橋式變換，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(jī)控制信號輸入接口P3與控制板進(jìn)行信號傳遞。對于一些外掛元件，由P_CTRl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(jī)殼上的交流風(fēng)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。

圖3 系統(tǒng)連接示意圖

3 仿真與分析

采用Hyperlynx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(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)［5］?？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(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)中的信號完整性、電磁兼容性和串?dāng)_問題，生成串?dāng)_強(qiáng)度報告，區(qū)分并解決串?dāng)_問題。

3.1 仿真設(shè)置

對設(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，并對其中核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行EMI輻射仿真。

圖4 DC－DC變換PCB仿真板圖

圖5 DC－DC變換電路原理圖

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，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(zhǔn)備。

3.2 EMC仿真

對圖示PCB圖進(jìn)行批處理仿真，生成的Hyperlynx軟件仿真報告全面地分析了整板的EMC問題，對報告進(jìn)行分析，將其中Warning和Warning(severe)部分進(jìn)行分析，可以大致對整板可能存在問題的網(wǎng)絡(luò)有一個全面的認(rèn)識，例如對網(wǎng)絡(luò)3525_START給出的分析意見為“網(wǎng)絡(luò)走線過長，實(shí)際長度為4.534 in(1 in=2.54 cm)，推薦最大長度為3.636 in”。在EMC批處理仿真基礎(chǔ)上，著重找出可能存在問題的具體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步的EMC交互式仿真。在這里根據(jù)報告內(nèi)容，對PWM信號所在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行EMC仿真。結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 改善前示波器顯示的波形電壓

圖7 改善前的EMC頻譜圖

被仿真的波形電壓值如圖6所示，接收端顯示的波形呈現(xiàn)出很多過沖和下沖。它存在大量的高頻成分，和理論分析相符合，即開關(guān)器件存在的網(wǎng)絡(luò)往往由于其信號含有較多的高頻分量，流經(jīng)器件本身時產(chǎn)生了過沖和下沖，所以在整板中是一個重要的輻射源。

圖7為在133 MHz高頻下EMC頻譜分析圖，實(shí)線垂直線代表實(shí)際PWM網(wǎng)絡(luò)時鐘信號基頻輻射值，上面的虛線代表 FCC美國，點(diǎn)劃線代表 CISPR歐洲CLASSB標(biāo)準(zhǔn)容限標(biāo)準(zhǔn)。通過分析可以看到，其輻射值超過了FCC和CISPR的Class B的標(biāo)準(zhǔn)限制。

根據(jù)仿真報告和理論分析，可擬定網(wǎng)絡(luò)的修改意見。

減小走線長度、增大線間距、減小介質(zhì)厚度、對該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)端接調(diào)整。在對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行完善后再次仿真，觀察改善后IC接收端的波形以及不同頻率處的輻射值。

通過對比，圖8在接收端IC的過沖以及下沖已經(jīng)被消除，而且，比之前的波形少了高頻成分，無論從信號完整性還是電磁輻射方面信號波形都得到改善。

同時EMC頻譜分析圖可以通過FCC和CISPR的Class B標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 EMI抑制分析

通過以上的仿真分析，利用相關(guān)的仿真軟件可以對開關(guān)電源PCB板的EMI問題抑制措施有所了解，即增加線距減小、減小線長、減小介質(zhì)層厚度、凈化入侵信號和網(wǎng)絡(luò)的合理端接。

4 結(jié)束語

本文基于仿真軟件Hyperlynx分析了某車載充電系統(tǒng)的DC－DC變換電路，對其中有開關(guān)器件存在的典型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了重點(diǎn)仿真。觀察其接收IC端的受串?dāng)_程度及輻射頻譜圖，根據(jù)仿真結(jié)果，采用加大線間距及串行端接的措施后，減小了整塊電路板的串?dāng)_，提高了接收顯示板接收射頻信號的穩(wěn)定性，更進(jìn)一步地減小了整個系統(tǒng)的電磁干擾問題。

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