Progettazione della simulazione EMI dell'alimentatore switching
Con l'aumento della frequenza di commutazione e della densità di potenza, l'ambiente elettromagnetico all'interno dell'alimentatore a commutazione sta diventando sempre più complicato e la sua compatibilità elettromagnetica è diventata un obiettivo importante e una delle principali difficoltà nella progettazione dell'alimentatore. Nel metodo di progettazione convenzionale, il problema EMC viene affrontato mediante progettazione empirica e il problema EMC può essere considerato in modo definitivo solo dopo la realizzazione del prototipo. Il tradizionale rimedio EMC può solo aggiungere componenti aggiuntivi, che possono influenzare la larghezza di banda del circuito di controllo originale, con il risultato, nel peggiore dei casi, di riprogettazione dell'intero sistema e di aumento dei costi di progettazione. Per evitare questa situazione, è necessario considerare i problemi EMC nel processo di progettazione, analizzare e prevedere le EMI degli alimentatori a commutazione con una certa precisione e migliorare la progettazione in base al meccanismo di interferenza e alla sua distribuzione in ciascuna banda di frequenza per ridurre il livello EMI, riducendo così i costi di progettazione.
2 Caratteristiche e classificazione EMI degli alimentatori switching
Per prevedere l'interferenza elettromagnetica condotta degli alimentatori switching è necessario chiarire il suo meccanismo di generazione e le caratteristiche delle sorgenti di rumore. A causa dell'azione di commutazione ad alta velocità del tubo dell'interruttore di alimentazione, la velocità di variazione della tensione e della corrente è molto elevata e il fronte di salita e il fronte di discesa contengono ricche armoniche superiori, quindi l'intensità dell'interferenza elettromagnetica è elevata; Le interferenze elettromagnetiche degli alimentatori a commutazione si concentrano principalmente in prossimità di diodi, dispositivi di commutazione di potenza, radiatori e trasformatori ad alta frequenza ad essi collegati; Poiché la frequenza di commutazione del tubo di commutazione varia da decine di kHz a diversi MHz, le forme di disturbo dell'alimentatore a commutazione sono principalmente interferenze condotte e interferenze di campo vicino. Tra questi, le interferenze condotte verranno immesse nella rete elettrica attraverso il percorso di propagazione del rumore e interferiranno con altri dispositivi collegati alla rete elettrica.
Le interferenze condotte dell'alimentatore switching possono essere suddivise in due categorie.
1) Interferenza in modalità differenziale (DM). Il rumore DM è causato principalmente da di/dt. Attraverso induttanza e resistenza parassite, si propaga nell'anello tra filo sotto tensione e filo neutro, generando corrente Idm tra i due fili, che non forma un anello con il filo di terra.
2) interferenza di modo comune (CM). Il rumore CM è causato principalmente da dv/dt. La capacità parassita del PCB si propaga nel circuito tra due linee elettriche e terra e l'interferenza si intromette tra la linea e la terra. La corrente di disturbo scorre a metà su ciascuna delle due linee, con la terra come anello comune. Nel circuito reale, a causa dell'impedenza di linea sbilanciata, l'interferenza del segnale di modo comune verrà trasformata in un'interferenza diafonia che non è facile da eliminare.
Analisi di simulazione delle EMI negli alimentatori switching
In teoria, sia che si tratti di simulazione nel dominio del tempo o della frequenza, purché venga stabilito un modello di analisi ragionevole, i risultati della simulazione possono riflettere correttamente il grado di quantizzazione EMI del sistema.
Il metodo di simulazione nel dominio del tempo richiede di stabilire un modello di circuito che includa tutti i parametri dei componenti nel convertitore, utilizzare il software PSPICE o Sabre per l'analisi di simulazione e utilizzare lo strumento di analisi veloce di Fourier per ottenere la forma d'onda dello spettro delle EMI. Questo metodo è stato verificato nell'analisi del rumore del DM. Tuttavia, le caratteristiche non lineari e i parametri parassiti dei dispositivi a semiconduttore come MOSFET e IGBT negli alimentatori a commutazione rendono il modello molto complicato e la topologia del circuito dell'alimentatore a commutazione cambia costantemente quando funziona, il che porta al problema della non convergenza in simulazione. Quando si studia il rumore CM, devono essere inclusi tutti i parametri degli elementi parassiti. A causa dell'influenza dei parametri parassiti, i risultati della FFT sono difficili da abbinare ai risultati sperimentali. I convertitori di potenza a commutazione solitamente funzionano in un ampio intervallo di costanti di tempo, comprendendo principalmente tre gruppi di costanti di tempo: costanti di tempo relative alla frequenza di base del terminale di uscita (decine di ms); Costante di tempo (decine di μ s) relativa alla frequenza di commutazione degli elementi di commutazione; Costante di tempo (diversi ns) relativa al tempo di salita e al tempo di discesa quando l'elemento di commutazione viene acceso o spento.
Per questo motivo, nella simulazione nel dominio del tempo, è necessario utilizzare una fase di calcolo molto piccola e occorre molto tempo per completare il calcolo; Inoltre, i risultati ottenuti con il metodo nel dominio del tempo spesso non sono in grado di analizzare chiaramente l'influenza delle varie variabili nel circuito sull'interferenza, non possono spiegare in modo approfondito il comportamento EMI dell'alimentatore a commutazione e mancano di giudizio sul meccanismo EMI, e non possono fornire una soluzione chiara per ridurre le EMI.
