電磁兼容的數(shù)值仿真分析——CST2013
2 電磁兼容數(shù)值仿真
2.1 PCB板級EMC仿真(PWM電源控制器)
圖1 電機(jī)PWM電源控制器
這是一個實(shí)例,需要根據(jù)國軍標(biāo)GJB151A的傳導(dǎo)發(fā)射限值CE102和輻射發(fā)射限值RE102對其進(jìn)行仿真預(yù)估。
a)傳導(dǎo)發(fā)射仿真(GJB151A CE102) 直流電機(jī)恒速控制驅(qū)動器見圖1。該控制器采用27V直供電,10W的電機(jī)驅(qū)動采用15kHz調(diào)制的PWM單極脈沖序列。對27V電源線需要通過國軍標(biāo)GJB151A CE102在10kHZ-10MHz傳導(dǎo)發(fā)射限值。
圖2 電源控制器框圖
圖3 電源控制器完整電原理圖
有了完整的電子樣機(jī)后,如何采用軟件對所需的27V電源上的傳導(dǎo)發(fā)射電平進(jìn)行快速有效地仿真這是一個設(shè)計(jì)工程師最需要知道的。
首先絕不能太實(shí)際了,不能在仿真中完全照搬整個實(shí)際樣機(jī),如,許多工程師將整個PCB上所有的器件一股腦全部放入仿真軟件中,連可能幾乎毫無關(guān)系的保護(hù)電路也考慮進(jìn)去。倘若有些電路只是在其過流保護(hù)時方起作用的, 則在仿真中可以先將其去掉或旁路掉,因?yàn)樗鼈冊谡W鲿r是不工作的。比如本控制器中的5V和12V直流供電回 路,與27V完全隔離,且不含15kHz調(diào)制信號,在這么低的主頻下根本不會產(chǎn)生強(qiáng)互耦干擾信號于27V電源回路中;另外,從圖3所示PCB板右邊部分電路與左邊的整個控制器根本沒有關(guān)系。做完分析后,則可以提取最重要的部分進(jìn)行仿真,見圖4六個開關(guān)管所組成的PWM電路,它就是圖3方框中的部分。注意,以上電路功能分析簡化步驟是極其必要的,這對于電子樣機(jī)的設(shè)計(jì)者來說是相對容易的,而對于不是該電路的直接設(shè)計(jì)者或者是第三方仿真軟件工程師來說,是相當(dāng)困難的。這也是PCB板仿真最困難之處。不是原理問題,而是信息不全的問題。
圖3 電源控制器完整電原理圖
以下是在路仿真軟件中搭建的三相PWM逆變器。這里 采用了IR公司的FET開關(guān)管的SPICE模型。
圖5 三相PWM驅(qū)動逆變電路仿真模型
其中六個柵極為觸發(fā)信號的輸入,電機(jī)采用內(nèi)阻為4歐姆的實(shí)電阻作為負(fù)載。P1(nP1)和P2(nP2)等均為探針,可給出該點(diǎn)處的電壓和電流的時域信號及其頻譜。觸發(fā)信號頻率為15kHz,占空比50%的方波信號。上升和下降沿時間設(shè)置為15ns(這是IRFR13N管子的極限響應(yīng)速度)。加上外圍電路,實(shí)際上升和下降時間將有所惡化,將使得15kHz及其諧波有所下降。另外,在實(shí)際電路中,由于前面觸發(fā)信號整形驅(qū)動芯片的離散型,三組觸發(fā)信號并不可能理想同步,我們稱之為觸發(fā)同步抖動(Timing jitter)。仿真中我們可以明顯地發(fā)現(xiàn)開關(guān)管的響應(yīng)速度和同步抖動對27V電源線上的噪聲影響較大(見圖6)。
圖6 驅(qū)動功率為10W,不同觸發(fā)抖動下27V電源線上噪聲電流的幅頻特性和CE102限值(粗實(shí)線)
此時27V電源上的Icc平均電流為0.41A,電源功率大約11W 。CE102限值如圖6中粗實(shí)線所示,10kHz處為 94dBuA(即50mA),500kHz以上為60dBuA(即1mA) 的噪聲電平。仿真表明,PWM脈沖的上升下降沿越陡(即采用的開關(guān)管質(zhì)量越好),則其諧波總體電平就越高;同樣地,三組觸發(fā)信號同步越好(即觸發(fā)抖動越小,即前級觸發(fā)生成模塊的質(zhì)量越高),則諧波總體電平也越大。當(dāng)觸發(fā)抖動達(dá)到0.4us時,該控制器在2-3MHz范圍內(nèi)的傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)。這一點(diǎn)在實(shí)測中得以了證實(shí)。由于在實(shí)際產(chǎn)品中使用了1MHz的電源濾波連接器,所以該產(chǎn)品只在2- 3MHz處未能通過CE102的測試。
從本例可以看出,軟件仿真不但能夠發(fā)現(xiàn)電磁兼容超標(biāo)的問題,而且還可以給出在不同參量下EMC特性的改變 規(guī)律,從而對設(shè)計(jì)提供更多的認(rèn)識。
b)輻射發(fā)射仿真(GJB151A RE102)
下面介紹輻射發(fā)射的仿真過程。同樣,在正式仿真前 先要對該控制器各部分的輻射電平,也即對板上各部分走線電流大小進(jìn)行判定。找出那些頻率高且電流大的部分, 因?yàn)楦哳l或者高諧波分量輻射較強(qiáng)。頻率低或者電流弱的 部分則可以忽略。沒有主次一股腦對整個板子進(jìn)行仿真是不可取的,不但計(jì)算量增加,而且可能引入誤差。本控制器頻率最高諧波最豐富且電流最大的是上節(jié)所分析的三相 PWM驅(qū)動逆變電路。這部分的電流比其它部分高兩個量級。
由于是輻射仿真,所以必須采用電磁場仿真,而不能使用路仿真軟件。場仿真則必須有結(jié)構(gòu)信息,這里是PADS 格式的PCB板(見圖7)
圖7 電源控制器上下兩層PCB板(PADS格式)
圖8 某開關(guān)管在1W等功率激勵下,PCB板上
15kHz、 1GHz、12GHz頻點(diǎn)的電流分布(自上而下)
輻射仿真描述:整板上所有走線和無源器件均存在并保持在EDA軟件找中的互連狀態(tài),對有源器件(數(shù)模芯片、三極管/FET等)則需要采用IBIS和SPICE模型置換,若沒有這些模型則需要管腳阻抗匹配和電流電壓源置換,這些源則采用上節(jié)路仿真中所得的信號波形進(jìn)行激勵。
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