通過仿真提高設(shè)備電源的 EMI 性能

過去幾年，環(huán)境保護已成為熱門話題，也是近期技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動因素之一，從而推動了電動汽車、更多電動飛機 (MEA)、可再生能源和許多其他應(yīng)用的發(fā)展。因此，這些應(yīng)用要求廣泛使用開關(guān)電源。

這些電源為快速變化的技術(shù)所需的特殊功能提供電力，通常稱為功率調(diào)節(jié)單元 (PCU) 或開關(guān)模式電源 (SMPS)。在 SMPS 中，切換電壓和電流以調(diào)整和控制功率以匹配負(fù)載要求，從而產(chǎn)生與周圍環(huán)境相關(guān)的電磁場，即電磁干擾 (EMI)。由于此類系統(tǒng)的增加以及 EMI 的不利影響，EMI 分析在產(chǎn)品開發(fā)中占據(jù)優(yōu)先地位。

這篇文章將介紹一種在產(chǎn)品設(shè)計階段通過仿真提高設(shè)計的 EMI 性能的方法，最終降低硬件驗證成本并提高生產(chǎn)力。

在深入了解 EMI 的細(xì)節(jié)之前，讓我先介紹一下電力電子在各個工程領(lǐng)域的實施——例如，汽車行業(yè)向更多電動汽車 (EV) 邁進的關(guān)鍵驅(qū)動力。

典型的 EV 動力總成由一個電能源、一個電動驅(qū)動電機和一個 PCU 組成，該 PCU 將直流電處理成與驅(qū)動電機兼容的形式。

除了動力系統(tǒng)，照明系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)、氣候控制、安全系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)也需要專用電源。這些系統(tǒng)和必要的電池充電基礎(chǔ)設(shè)施需要不同類型的 PCU。

還有許多其他使用 PCU 的應(yīng)用，包括：

· 用于醫(yī)院和手術(shù)室的大型備用電源系統(tǒng)

· MEA 倡議，其中電力用于所有非推進系統(tǒng)

· 調(diào)節(jié)電力以滿足電網(wǎng)要求并優(yōu)化可用可再生能源的利用

· 鋼鐵、造紙和類似行業(yè)中的工業(yè)電機控制

· 消費電子給手機、PC電源、照明等充電。

· 商場、電影院等商業(yè)設(shè)施。

PCU 和 EMI

PCU 在上述技術(shù)的有效運行中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些 PCU 的核心是由各種控制系統(tǒng)驅(qū)動的大功率開關(guān)設(shè)備。在 PCU 中，電壓和電流在高頻下切換，以將輸入能量轉(zhuǎn)換為所需的形式。

這是通過使用硅功率器件來實現(xiàn)的，例如可控硅整流器 (SCR)、功率二極管、BJT、MOSFET 和 IGBT。研究提供了更高效、高功率的技術(shù)，這些技術(shù)使用碳化硅和氮化鎵來制造功率二極管、BJT 和 MOSFET。根據(jù)應(yīng)用和功率水平，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于切換從幾瓦到幾兆瓦的功率。

與儲能元件耦合的開關(guān)波形會在環(huán)境中產(chǎn)生電磁場。這些場與附近設(shè)備的相互作用具有嚴(yán)重的影響，例如電機噪聲增加、醫(yī)學(xué)成像中的圖像失真以及可能導(dǎo)致安全隱患的錯誤通信信號。電磁場與附近設(shè)備的耦合稱為 EMI。

EMI分為兩類：

1) 傳導(dǎo)發(fā)射 (CE) – 場通過傳導(dǎo)傳播并與環(huán)境耦合。傳導(dǎo)噪聲以兩種形式與環(huán)境耦合，具體取決于它們流入的電流路徑。

一個。共模(CM)噪聲：正/線和負(fù)/中性端子同相的噪聲，返回路徑通過安全接地連接

灣。差模(DM)噪聲：正/線端子相位與負(fù)/中性端子相位相反的噪聲分量

2) 輻射發(fā)射 (RE) – 場通過空氣傳播到接收器。

傳導(dǎo)發(fā)射

在切換電壓和電流的開關(guān)電源中，高頻、不需要的噪聲信號通過連接線或電纜傳播。這些噪聲信號與污染源本身的電源耦合，從而影響連接到同一電源的其他設(shè)備的運行。

已經(jīng)制定了幾個標(biāo)準(zhǔn)，提供了維持排放水平并確認(rèn)它們保持在規(guī)定范圍內(nèi)的指南。FCC 和 CISPR 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限制，大多數(shù)其他與 EMI 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)都是基于這兩個標(biāo)準(zhǔn)。

重要的是要確定要過濾的噪聲水平，以便設(shè)計最佳的濾波器電路。噪聲以 dB(V) 或 dB(uV) 作為頻率的函數(shù)來測量。將這些測量值與標(biāo)準(zhǔn)限值進行比較，并設(shè)計適當(dāng)?shù)臑V波器來減輕不需要的噪聲信號。要測量硬件原型上的噪聲，除了通常成本高昂的源和負(fù)載之外，還需要特殊設(shè)備。

此外，測量的準(zhǔn)確性很大程度上取決于輸入阻抗、正弦波電壓源的質(zhì)量以及進行測試的環(huán)境。因此，準(zhǔn)確測量噪聲發(fā)射并為系統(tǒng)設(shè)計合適的濾波器是一項艱巨的任務(wù)。

通常遵循一定的經(jīng)驗法則和經(jīng)驗來決定過濾器組件，這種做法容易過度設(shè)計或過濾不足。過度設(shè)計會使系統(tǒng)變得遲緩，而濾波不足會導(dǎo)致多次迭代，以達(dá)到最佳的濾波器電路設(shè)計。

設(shè)計仿真和傳導(dǎo)發(fā)射 (CE) 測量

由于系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)仿真是必不可少的，最終有助于將仿真研究從綜合性能分析擴展到 CE 測量。如前所述，噪聲以 dB(V) 為單位測量為頻率的函數(shù)，頻率是各種頻率下的信號幅度。

對信號執(zhí)行快速傅里葉變換(FFT)給出構(gòu)成在每個頻率處測量的信號的正弦分量的幅度值，即頻譜。FFT 將時域量轉(zhuǎn)換為頻率參數(shù)并幫助執(zhí)行 CE 的 EMI 分析。

通過對設(shè)計運行瞬態(tài)分析可以獲得時域量。瞬態(tài)分析輸出的準(zhǔn)確性決定了頻譜的準(zhǔn)確性。有幾個因素決定了瞬態(tài)分析的準(zhǔn)確性，例如仿真算法的準(zhǔn)確性、結(jié)合電路寄生元件的能力、組件模型的準(zhǔn)確性等等。

SaberRD 和其他仿真工具提供了直接從數(shù)據(jù)表和實驗測量中表征開關(guān)組件的選項，包含經(jīng)過行業(yè)驗證的仿真模型和算法，并能夠結(jié)合從 3-D 建模工具生成的寄生參數(shù)以及眾多其他功能，以便對設(shè)計進行全面分析在模擬中。

為了測量頻譜，該設(shè)計在仿真平臺中進行建模，并在源端添加了線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò) (LISN) 以測量噪聲水平。LISN 用于為傳導(dǎo)發(fā)射提供穩(wěn)定阻抗，而不會干擾被測設(shè)計所需的正常功率流。共模和差模噪聲來自 LISN 的輸出。

在仿真平臺中，可以將設(shè)計配置為分析最壞情況。執(zhí)行瞬態(tài)仿真會給出輸出信號的圖以及 CM 和 DM 噪聲信號的測量值。這些來自 LISN 的噪聲信號被繪制出來，并對它們執(zhí)行 FFT。通過執(zhí)行 FFT 分析，可以繪制出頻譜，該頻譜提供了不同頻率下的噪聲幅度。

該圖顯示了 CM 噪聲信號上的 FFT。 CM 噪聲的頻譜與沒有任何濾波器的 FCC 和 CISPR 標(biāo)準(zhǔn)的比較。據(jù)觀察，噪聲幅度遠(yuǎn)高于規(guī)定限值。當(dāng)添加一個帶接地電容器的補償繞組時，噪聲會降低。

如圖所示，噪音降低了，但仍然超出了限制。輸入共模電感和 Y 電容濾波器的噪聲。濾波器經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，使噪聲水平低于指定限值。這表明噪聲水平和限值之間有足夠的余量。因此，即使在進行原型開發(fā)之前，也可以在 SaberRD 等高級仿真工具中輕松設(shè)計和驗證合適的濾波器。

結(jié)論

開關(guān)電源會產(chǎn)生噪聲信號，其電平必須限制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。噪聲過濾要求取決于各種因素，并且必須為給定的應(yīng)用設(shè)計適當(dāng)?shù)臑V波器。對噪聲進行物理測量以準(zhǔn)確設(shè)計最佳濾波器可能會非常昂貴。

這篇文章展示了一種在 SaberRD 等仿真平臺中改進設(shè)計噪聲性能的方法，而無需執(zhí)行硬件測試。該仿真的結(jié)果有助于確定最合適的濾波器設(shè)計，以將噪聲限制在指定水平內(nèi)。使用這種方法，可以在設(shè)計階段通過仿真對設(shè)計進行優(yōu)化，并且可以減少硬件迭代次數(shù)，從而最大限度地降低成本和時間。