EMI simulacija dizajna prekidačkog napajanja
Sa povećanjem frekvencije prebacivanja i gustine snage, elektromagnetno okruženje unutar prekidačkog napajanja postaje sve komplikovanije, a njegova elektromagnetna kompatibilnost je postala glavni fokus i velika poteškoća u dizajnu napajanja. U konvencionalnoj metodi dizajna, problem EMC-a se rješava empirijskim projektiranjem, a problem EMC-a se može konačno razmotriti tek nakon što je prototip uspostavljen. Tradicionalni EMC lijek može samo dodati dodatne komponente, što može utjecati na širinu opsega izvorne kontrolne petlje, što rezultira u najgorem slučaju redizajniranja cijelog sistema i povećanja troškova dizajna. Kako bi se izbjegla ova situacija, potrebno je razmotriti EMC probleme u procesu projektovanja, analizirati i predvidjeti EMI prekidačkog napajanja sa određenom tačnošću, te unaprijediti dizajn prema mehanizmu smetnji i njegovoj distribuciji u svakom frekvencijskom opsegu do smanjiti EMI nivo, čime se smanjuju troškovi dizajna.
2 EMI karakteristike i klasifikacija prekidačkog napajanja
Da bi se predvidele provodljive elektromagnetne smetnje prekidačkog napajanja, potrebno je razjasniti mehanizam njegovog generisanja i karakteristike izvora buke. Zbog brzog prebacivanja cijevi prekidača za napajanje, njen napon i brzina promjene struje su vrlo visoki, a rastuća i opadajuća ivica sadrže bogate više harmonike, tako da je intenzitet elektromagnetne smetnje velik; Elektromagnetne smetnje prekidačkog napajanja uglavnom su koncentrisane u blizini dioda, sklopnih uređaja, radijatora i visokofrekventnih transformatora koji su sa njima povezani; Budući da se frekvencija prebacivanja prekidačke cijevi kreće od desetina kHz do nekoliko MHz, oblici interferencije prekidačkog napajanja su uglavnom provodne smetnje i smetnje bliskog polja. Među njima, dirigovane smetnje će se ubrizgati u električnu mrežu kroz put širenja buke i ometati druge uređaje priključene na električnu mrežu.
Provedene smetnje prekidačkog napajanja mogu se podijeliti u dvije kategorije.
1) Interferencija diferencijalnog načina rada (DM). DM šum je uglavnom uzrokovan di/dt. Kroz parazitsku induktivnost i otpor, širi se u petlji između žice pod naponom i neutralne žice, stvarajući struju Idm između dvije žice, koja ne formira petlju sa žicom za uzemljenje.
2) smetnje zajedničkog moda (CM). CM šum je uglavnom uzrokovan dv/dt. Zalutali kapacitet PCB-a širi se u petlji između dva strujna voda i zemlje, a smetnje prodiru između linije i zemlje. Struja interferencije teče na pola na svakoj od dvije linije, sa zemljom kao zajedničkom petljom. U stvarnom kolu, zbog neuravnotežene impedanse linije, smetnje zajedničkog signala će se transformisati u smetnje preslušavanja koje nije lako eliminisati.
Simulacijska analiza elektromagnetnih smetnji u prekidačkom napajanju
Teoretski govoreći, bilo da je u pitanju simulacija u vremenskom domenu ili simulacija frekvencijskog domena, sve dok je uspostavljen razuman model analize, rezultati simulacije mogu ispravno odražavati stepen EMI kvantizacije sistema.
Metoda simulacije u vremenskom domenu treba da uspostavi model kola uključujući sve parametre komponenti u pretvaraču, koristi softver PSPICE ili Sabre za simulacijsku analizu i koristi brzi alat za Fourierovu analizu da dobije talasni oblik spektra EMI. Ova metoda je verifikovana u analizi DM buke. Međutim, nelinearne karakteristike i lutajući parametri poluprovodničkih uređaja kao što su MOSFET i IGBT u prekidačkom napajanju čine model veoma komplikovanim, a topologija kola prekidačkog napajanja se konstantno menja kada radi, što dovodi do problema nekonvergencije u simulacija. Prilikom proučavanja CM buke, svi parametri parazitnih elemenata moraju biti uključeni. Zbog utjecaja parazitskih parametara, FFT rezultate je teško poklapati s eksperimentalnim rezultatima. Preklopni pretvarači snage obično rade u velikom rasponu vremenskih konstanti, uglavnom uključujući tri grupe vremenskih konstanti: vremenske konstante vezane za osnovnu frekvenciju izlaznog terminala (desetine ms); Vremenska konstanta (desetine μs) koja se odnosi na frekvenciju uključivanja sklopnih elemenata; Vremenska konstanta (nekoliko ns) koja se odnosi na vrijeme porasta i vrijeme pada kada je sklopni element uključen ili isključen.
Iz tog razloga, u simulaciji u vremenskom domenu, mora se koristiti vrlo mali korak proračuna i potrebno je mnogo vremena da se završi proračun; Osim toga, rezultati dobijeni metodom vremenske domene često ne mogu jasno analizirati utjecaj različitih varijabli u kolu na smetnje, ne mogu dublje objasniti EMI ponašanje prekidačkog napajanja i nemaju prosudbu EMI mehanizma i ne mogu dati jasno rješenje za smanjenje EMI.
