Projeto de simulação EMI de comutação de fonte de alimentação
Com o aumento da frequência de comutação e da densidade de potência, o ambiente eletromagnético dentro da fonte de alimentação de comutação está se tornando cada vez mais complicado, e sua compatibilidade eletromagnética tornou-se um foco importante e uma grande dificuldade no projeto da fonte de alimentação. No método de projeto convencional, o problema de EMC é tratado por projeto empírico, e o problema de EMC só pode ser considerado finalmente após o protótipo ser estabelecido. A solução EMC tradicional só pode adicionar componentes adicionais, o que pode afetar a largura de banda original do circuito de controle, resultando no pior caso de redesenhar todo o sistema e aumentar o custo do projeto. Para evitar esta situação, é necessário considerar os problemas de EMC no processo de projeto, analisar e prever o EMI da fonte de alimentação chaveada com certa precisão e melhorar o projeto de acordo com o mecanismo de interferência e sua distribuição em cada faixa de frequência para reduzir o nível de EMI, reduzindo assim o custo do projeto.
2 características e classificação EMI da fonte de alimentação comutada
Para prever a interferência eletromagnética conduzida em fontes chaveadas, é necessário deixar claro seu mecanismo de geração e as características das fontes de ruído. Devido à ação de comutação de alta velocidade do tubo do interruptor de alimentação, sua taxa de mudança de tensão e corrente é muito alta, e a borda ascendente e a borda descendente contêm harmônicos mais altos e ricos, de modo que a intensidade da interferência eletromagnética é grande; A interferência eletromagnética da fonte de alimentação chaveada concentra-se principalmente nas proximidades de diodos, dispositivos de comutação de energia, radiadores e transformadores de alta frequência conectados a eles; Como a frequência de comutação do tubo de comutação varia de dezenas de kHz a vários MHz, as formas de interferência da fonte de alimentação de comutação são principalmente interferência conduzida e interferência de campo próximo. Dentre eles, a interferência conduzida será injetada na rede elétrica através do caminho de propagação do ruído e interferirá em outros dispositivos conectados à rede elétrica.
A interferência conduzida na fonte de alimentação chaveada pode ser dividida em duas categorias.
1) Interferência no modo diferencial (DM). O ruído DM é causado principalmente por di/dt. Através da indutância e resistência parasitas, ele se propaga no loop entre o fio energizado e o fio neutro, gerando corrente Idm entre os dois fios, que não forma um loop com o fio terra.
2) interferência de modo comum (CM). O ruído CM é causado principalmente por dv/dt. A capacitância parasita do PCB se propaga no circuito entre duas linhas de energia e o terra, e a interferência se intromete entre a linha e o terra. A corrente de interferência flui pela metade em cada uma das duas linhas, com o terra como circuito comum. No circuito real, devido à impedância de linha desequilibrada, a interferência do sinal de modo comum será transformada em interferência de diafonia que não é fácil de eliminar.
Análise de simulação de EMI na comutação de fonte de alimentação
Teoricamente falando, seja simulação no domínio do tempo ou simulação no domínio da frequência, desde que um modelo de análise razoável seja estabelecido, os resultados da simulação podem refletir corretamente o grau de quantização EMI do sistema.
O método de simulação no domínio do tempo precisa estabelecer um modelo de circuito incluindo todos os parâmetros dos componentes no conversor, usar o software PSPICE ou Sabre para análise de simulação e usar a ferramenta rápida de análise de Fourier para obter a forma de onda do espectro do EMI. Este método foi verificado na análise do ruído DM. No entanto, as características não lineares e os parâmetros dispersos de dispositivos semicondutores como MOSFET e IGBT na fonte de alimentação chaveada tornam o modelo muito complicado, e a topologia do circuito da fonte de alimentação chaveada muda constantemente quando funciona, o que leva ao problema de não convergência em simulação. Ao estudar o ruído CM, todos os parâmetros dos elementos parasitas devem ser incluídos. Devido à influência dos parâmetros parasitas, os resultados da FFT são difíceis de corresponder aos resultados experimentais. Os conversores de potência chaveados geralmente trabalham em uma ampla faixa de constantes de tempo, incluindo principalmente três grupos de constantes de tempo: constantes de tempo relacionadas à frequência básica do terminal de saída (dezenas de ms); Constante de tempo (dezenas de μ s) relacionada à frequência de chaveamento dos elementos de chaveamento; Constante de tempo (vários ns) relacionada ao tempo de subida e descida quando o elemento de chaveamento é ligado ou desligado.
Por esse motivo, na simulação no domínio do tempo, uma etapa de cálculo muito pequena deve ser utilizada e leva muito tempo para concluir o cálculo; Além disso, os resultados obtidos pelo método no domínio do tempo muitas vezes não conseguem analisar claramente a influência de várias variáveis no circuito sobre a interferência, não conseguem explicar profundamente o comportamento EMI da fonte de alimentação comutada e carecem do julgamento do mecanismo EMI, e não podem dar uma solução clara para reduzir a EMI.
