一種車載充電系統(tǒng)開關(guān)電源的EMC仿真分析

摘要 介紹了一種車載充電系統(tǒng)開關(guān)電源的工作原理，并對(duì)其實(shí)際工作中的EMI問題進(jìn)行分析討論，利用仿真軟件Hyperlynx對(duì)該系統(tǒng)的PCB板圖進(jìn)行了電磁兼容仿真分析，得到PWM信號(hào)所在網(wǎng)絡(luò)的電壓波形和EMC頻譜圖，仿真結(jié)果顯示，增加線距、減小線長(zhǎng)、減小介質(zhì)層厚度、凈化Aggressor信號(hào)和網(wǎng)絡(luò)的合理端接將對(duì)開關(guān)電源EMI問題實(shí)現(xiàn)有效抑制，仿真所得結(jié)果對(duì)電路的合理設(shè)計(jì)和布局有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞 車載充電系統(tǒng)；開關(guān)電源；電磁兼容性仿真

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。