Σχεδιασμός προσομοίωσης EMI μεταγωγής τροφοδοτικού
Με την αύξηση της συχνότητας μεταγωγής και της πυκνότητας ισχύος, το ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον μέσα στο τροφοδοτικό μεταγωγής γίνεται όλο και πιο περίπλοκο και η ηλεκτρομαγνητική του συμβατότητα έχει γίνει κύριος στόχος και μεγάλη δυσκολία στο σχεδιασμό του τροφοδοτικού. Στη συμβατική μέθοδο σχεδιασμού, το πρόβλημα EMC αντιμετωπίζεται με εμπειρικό σχεδιασμό και το πρόβλημα EMC μπορεί να εξεταστεί τελικά μόνο μετά την καθιέρωση του πρωτοτύπου. Η παραδοσιακή θεραπεία EMC μπορεί να προσθέσει μόνο πρόσθετα στοιχεία, τα οποία μπορεί να επηρεάσουν το εύρος ζώνης του αρχικού βρόχου ελέγχου, με αποτέλεσμα στη χειρότερη περίπτωση να επανασχεδιαστεί ολόκληρο το σύστημα και να αυξηθεί το κόστος σχεδιασμού. Προκειμένου να αποφευχθεί αυτή η κατάσταση, είναι απαραίτητο να εξεταστούν τα προβλήματα της EMC στη διαδικασία σχεδιασμού, να αναλυθεί και να προβλεφθεί το EMI της τροφοδοσίας μεταγωγής με συγκεκριμένη ακρίβεια και να βελτιωθεί ο σχεδιασμός σύμφωνα με τον μηχανισμό παρεμβολής και την κατανομή του σε κάθε ζώνη συχνοτήτων σε μείωση του επιπέδου EMI, μειώνοντας έτσι το κόστος σχεδιασμού.
2 χαρακτηριστικά και ταξινόμηση τροφοδοτικού μεταγωγής EMI
Προκειμένου να προβλεφθεί η διεξαγόμενη ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή της τροφοδοσίας μεταγωγής, είναι απαραίτητο να διευκρινιστεί ο μηχανισμός παραγωγής της και τα χαρακτηριστικά των πηγών θορύβου. Λόγω της δράσης μεταγωγής υψηλής ταχύτητας του σωλήνα διακόπτη ισχύος, ο ρυθμός αλλαγής τάσης και ρεύματος είναι πολύ υψηλός και η ανερχόμενη και η καθοδική άκρη περιέχουν πλούσιες υψηλότερες αρμονικές, επομένως η ένταση της ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής είναι μεγάλη. Οι ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές της τροφοδοσίας μεταγωγής συγκεντρώνονται κυρίως κοντά σε διόδους, συσκευές μεταγωγής ισχύος, θερμαντικά σώματα και μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας που συνδέονται με αυτές. Επειδή η συχνότητα μεταγωγής του σωλήνα μεταγωγής κυμαίνεται από δεκάδες kHz έως αρκετά MHz, οι μορφές παρεμβολής του τροφοδοτικού μεταγωγής είναι κυρίως αγώγιμες παρεμβολές και παρεμβολές κοντινού πεδίου. Μεταξύ αυτών, οι πραγματοποιούμενες παρεμβολές θα εγχυθούν στο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω της διαδρομής διάδοσης του θορύβου και θα παρέμβουν σε άλλες συσκευές που είναι συνδεδεμένες στο ηλεκτρικό δίκτυο.
Οι επαγόμενες παρεμβολές της τροφοδοσίας μεταγωγής μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες.
1) Παρεμβολή διαφορικής λειτουργίας (DM). Ο θόρυβος DM προκαλείται κυρίως από di/dt. Μέσω της παρασιτικής επαγωγής και της αντίστασης, διαδίδεται στον βρόχο μεταξύ του ενεργού καλωδίου και του ουδέτερου καλωδίου, δημιουργώντας ρεύμα Idm μεταξύ των δύο καλωδίων, το οποίο δεν σχηματίζει βρόχο με το καλώδιο γείωσης.
2) παρεμβολές κοινής λειτουργίας (CM). Ο θόρυβος CM προκαλείται κυρίως από dv/dt. Η αδέσποτη χωρητικότητα του PCB διαδίδεται στον βρόχο μεταξύ δύο γραμμών τροφοδοσίας και της γείωσης και η παρεμβολή παρεμβάλλεται μεταξύ της γραμμής και της γείωσης. Το ρεύμα παρεμβολής ρέει στο μισό σε καθεμία από τις δύο γραμμές, με τη γείωση ως τον κοινό βρόχο. Στο πραγματικό κύκλωμα, λόγω της μη ισορροπημένης σύνθετης αντίστασης γραμμής, η παρεμβολή σήματος κοινής λειτουργίας θα μετατραπεί σε παρεμβολή διασταύρωσης που δεν είναι εύκολο να εξαλειφθεί.
Ανάλυση προσομοίωσης EMI σε μεταγωγική τροφοδοσία
Θεωρητικά μιλώντας, είτε πρόκειται για προσομοίωση πεδίου χρόνου είτε για προσομοίωση τομέα συχνότητας, εφόσον δημιουργηθεί ένα εύλογο μοντέλο ανάλυσης, τα αποτελέσματα της προσομοίωσης μπορούν να αντικατοπτρίζουν σωστά τον βαθμό κβαντοποίησης EMI του συστήματος.
Η μέθοδος προσομοίωσης πεδίου χρόνου πρέπει να δημιουργήσει ένα μοντέλο κυκλώματος που να περιλαμβάνει όλες τις παραμέτρους στοιχείων στον μετατροπέα, να χρησιμοποιήσει το λογισμικό PSPICE ή Sabre για ανάλυση προσομοίωσης και να χρησιμοποιήσει το γρήγορο εργαλείο ανάλυσης Fourier για να πάρει την κυματομορφή φάσματος του EMI. Αυτή η μέθοδος έχει επαληθευτεί στην ανάλυση του θορύβου DM. Ωστόσο, τα μη γραμμικά χαρακτηριστικά και οι αδέσποτες παράμετροι συσκευών ημιαγωγών όπως το MOSFET και το IGBT στην τροφοδοσία μεταγωγής καθιστούν το μοντέλο πολύ περίπλοκο και η τοπολογία κυκλώματος της τροφοδοσίας μεταγωγής αλλάζει συνεχώς όταν λειτουργεί, γεγονός που οδηγεί στο πρόβλημα της μη σύγκλισης στο προσομοίωση. Κατά τη μελέτη του θορύβου CM, πρέπει να περιλαμβάνονται όλες οι παράμετροι παρασιτικών στοιχείων. Λόγω της επίδρασης των παρασιτικών παραμέτρων, τα αποτελέσματα FFT είναι δύσκολο να ταιριάζουν με τα πειραματικά αποτελέσματα. Οι μετατροπείς ισχύος μεταγωγής συνήθως λειτουργούν σε ένα μεγάλο εύρος σταθερών χρόνου, που περιλαμβάνουν κυρίως τρεις ομάδες σταθερών χρόνου: σταθερές χρόνου που σχετίζονται με τη βασική συχνότητα του τερματικού εξόδου (δεκάδες ms). Χρονική σταθερά (δεκάδες μ s) που σχετίζεται με τη συχνότητα μεταγωγής των στοιχείων μεταγωγής. Χρονική σταθερά (πολλά ns) που σχετίζονται με το χρόνο ανόδου και πτώσης όταν το στοιχείο μεταγωγής είναι ενεργοποιημένο ή απενεργοποιημένο.
Για το λόγο αυτό, στην προσομοίωση πεδίου χρόνου, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα πολύ μικρό βήμα υπολογισμού και χρειάζεται πολύς χρόνος για να ολοκληρωθεί ο υπολογισμός. Επιπλέον, τα αποτελέσματα που προκύπτουν με τη μέθοδο του πεδίου χρόνου συχνά δεν μπορούν να αναλύσουν με σαφήνεια την επίδραση διαφόρων μεταβλητών στο κύκλωμα στις παρεμβολές, δεν μπορούν να εξηγήσουν βαθιά τη συμπεριφορά EMI της τροφοδοσίας μεταγωγής και δεν έχουν την κρίση του μηχανισμού EMI και δεν μπορούν να δώσουν μια ξεκάθαρη λύση για τη μείωση του EMI.
