Моделирование электромагнитных помех импульсного источника питания
С увеличением частоты переключения и плотности мощности электромагнитная среда внутри импульсного источника питания становится все более и более сложной, а его электромагнитная совместимость стала основным вопросом и основной трудностью при проектировании источника питания. В традиционном методе проектирования проблема ЭМС решается путем эмпирического проектирования, и проблема ЭМС может быть окончательно рассмотрена только после создания прототипа. Традиционное средство защиты от ЭМС может заключаться лишь в добавлении дополнительных компонентов, что может повлиять на исходную полосу пропускания контура управления, что в худшем случае приведет к перепроектированию всей системы и увеличению стоимости проектирования. Чтобы избежать этой ситуации, необходимо учитывать проблемы ЭМС в процессе проектирования, анализировать и прогнозировать электромагнитные помехи импульсного источника питания с определенной точностью, а также улучшать конструкцию в соответствии с механизмом помех и их распределением в каждой полосе частот, чтобы снизить уровень электромагнитных помех, тем самым снижая стоимость проектирования.
2 характеристики и классификация электромагнитных помех импульсного источника питания
Для прогнозирования кондуктивных электромагнитных помех импульсного источника питания необходимо выяснить механизм их возникновения и характеристики источников помех. Из-за высокоскоростного переключения трубки силового переключателя скорость изменения напряжения и тока очень высока, а нарастающий и спадающий фронт содержат богатые высшие гармоники, поэтому интенсивность электромагнитных помех велика; Электромагнитные помехи импульсного источника питания преимущественно сосредоточены в районе диодов, силовых коммутационных устройств, излучателей и связанных с ними высокочастотных трансформаторов; Поскольку частота переключения переключающей трубки колеблется от десятков кГц до нескольких МГц, помехи импульсного источника питания в основном представляют собой кондуктивные помехи и помехи ближнего поля. Среди них кондуктивные помехи будут попадать в электросеть через путь распространения шума и создавать помехи другим устройствам, подключенным к электросети.
Кондуктивные помехи импульсного источника питания можно разделить на две категории.
1) Помехи дифференциального режима (DM). Шум DM в основном вызван di/dt. За счет паразитной индуктивности и сопротивления он распространяется в петле между проводом под напряжением и нейтральным проводом, создавая ток Idm между двумя проводами, который не образует петлю с заземляющим проводом.
2) синфазные помехи (СМ). Шум CM в основном вызван dv/dt. Паразитная емкость печатной платы распространяется в контуре между двумя линиями электропередачи и землей, и помехи возникают между линией и землей. Ток помех течет пополам по каждой из двух линий, при этом земля является общим контуром. В реальной схеме из-за несбалансированного импеданса линии помехи синфазного сигнала преобразуются в перекрестные помехи, которые нелегко устранить.
Моделирование анализа электромагнитных помех в импульсном источнике питания
Теоретически, будь то моделирование во временной или частотной области, если создана разумная модель анализа, результаты моделирования могут правильно отражать степень квантования электромагнитных помех в системе.
Метод моделирования во временной области требует создания модели схемы, включая все параметры компонентов преобразователя, использования программного обеспечения PSPICE или Sabre для анализа моделирования и использования инструмента быстрого анализа Фурье для получения формы сигнала спектра электромагнитных помех. Этот метод был проверен при анализе шума ДМ. Однако нелинейные характеристики и паразитные параметры полупроводниковых устройств, таких как MOSFET и IGBT в импульсном источнике питания, делают модель очень сложной, а топология схемы импульсного источника питания постоянно меняется во время его работы, что приводит к проблеме несходимости моделирование. При изучении шума КМ необходимо учитывать все параметры паразитных элементов. Из-за влияния паразитных параметров результаты БПФ трудно сопоставить с экспериментальными результатами. Импульсные силовые преобразователи обычно работают в широком диапазоне постоянных времени, включающем в основном три группы постоянных времени: постоянные времени, относящиеся к основной частоте выходного терминала (десятки мс); Постоянная времени (десятки мкс), связанная с частотой переключения переключающих элементов; Постоянная времени (несколько нс), связанная со временем нарастания и времени спада при включении или выключении переключающего элемента.
По этой причине при моделировании во временной области необходимо использовать очень маленький шаг расчета, и для завершения расчета требуется много времени; Кроме того, результаты, полученные методом временной области, часто не могут четко проанализировать влияние различных переменных в цепи на помехи, не могут глубоко объяснить поведение EMI импульсного источника питания, а также не позволяют оценить механизм EMI и не могут дать четкое решение для уменьшения электромагнитных помех.
