一種車載充電系統開關電源的EMC仿真分析

李 民，邱紫敬，王曉明，許 悅

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

1 開關電源電磁干擾機理與抑制措施

開關電源的開關器件應用較多的是MOSFET和GIBT。其在關斷時會產生較大的電壓、電流變化率。開關電源中的開關器件在關斷時，電壓/電流的變化率較大，會造成較大干擾。為抑制開關電源的干擾，必須了解干擾源所產生噪聲信號的頻譜特性［3］。開關電源線路如圖1所示。

圖1 開關電源線路簡圖

1.1 開關電源噪聲源分析

1.1.1 功率開關管

一般來說，功率開關管及其散熱片與設備外殼和電源內部的引線間存在著分布電容。當開關管頻繁導通和關斷時，會有矩形波的形成，這種矩形波含有豐富的高頻成分。由于開關管的存儲時間、輸入輸出電容、整流二極管的反向恢復時問等，會造成很大的尖峰電流，當其流經變壓器和電感產生的電磁場都可能形成噪聲源，甚至可以擊穿開關管。

1.1.2 高頻變壓器

當原導通開關管關斷時，高頻變壓器的漏感所產生的反電動勢E=－LP·d i/d t，其值與集電極的電流變化率成正比，與漏感成正比，迭加在關斷電壓上，形成關斷電壓尖峰，從而形成傳導干擾。它既影響其他設備的安全和經濟運行，也影響自身的工作。開關電源中的變壓器作用是:隔離與儲能。在高頻情況下，其隔離不完全，變壓器層間的分布電容使開關電源中的高頻噪聲易在初次級之間傳遞。變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路，而使變壓器周圍產生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲。

1.1.3 整流二極管

在輸出整流二極管截止時有一個反向電流，其恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中能將反向電流恢復到零點的二極管稱為硬恢復二極管。它會在變壓器漏感和其他分布參數的影響下產生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十MHz。PN型硅二極管用作高頻整流時，正向電流蓄積的電荷在加反向電壓時不能立即消除，只要這個反向電流恢復時的電流斜率過大，流過變壓器線圈的電感就會產生尖峰電壓。

1.1.4 電容、電感器和導線

開關電源由于工作在較高頻率，會使低頻元器件特性發生變化，如電路中的電容、電感和導線，在高頻條件下會呈現出相應的特性變化，由此產生噪聲，在對器電路進行分析時需考慮其高頻模型。

1.1.5 PCB板設計

實際中，由于PCB設計不當，也會引起PCB板線與線之間、器件與線之間的干擾，如線長、線間距及介質層厚度等。這種干擾較為集中的體現為PCB板上的串擾和反射。因此，合理的PCB布局，在工程設計中是一項不容忽視的因素。

1.2 常見的開關電源EMI抑制措施

在工程應用中，針對開關電源的工作原理，可從以下幾方面著手解決其EMI問題［4］:

(1)屏蔽技術。屏蔽是抑制開關電源輻射干擾的一種方法，用電磁屏蔽的方法解決電磁干擾問題不會影響電路的正常工作。所謂電磁屏蔽就是以某種材料制成的屏蔽殼體，將需要屏蔽的區域封閉，形成電磁隔離，即其內的電磁場不能越出這一區域，而外來的輻射電磁場不能進入這一區域。

(2)濾波技術。濾波是抑制傳導干擾的一種有效的辦法。從頻譜角度分析，濾波是壓縮信號回路騷擾頻譜的一種方法，當騷擾頻譜成分不同于有用信號頻帶時，可以用濾波器進行騷擾濾除。濾波器的作用是允許工作信號通過，而對非工作信號進行最大程度地衰減。在電源輸入端加接濾波器可以有效抑制開關電源產生的干擾以及其反饋回電網的干擾，也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。

(3)接地技術。接地技術不僅是保證系統正常工作的有效手段，同時也是抑制電磁干擾，保障設備或系統電磁兼容性，提高設備或系統可靠性的重要技術措施，是保護設施和人身安全的必要手段。“接地”的一個含義是為實際的電路或系統提供一個零電位參考點，也就是平常所說的接大地，另一個含義是為電路或系統與“地”之間建立低阻抗通路，也就是在設備里建立一個公共參考電位點。實際應用中，主要考慮安全接地和信號接地兩大類。

2 某車載充電系統工作原理

2.1 充電器主回路

充電器主回路結構如圖2所示，采用兩級結構:一級為APFC變換，將市電220 V變換成380 V直流電壓;二級為DC/DC變換，將380 V直流電壓變換成電池組需要的充電電壓，對于72 V的鉛酸電池，其充電電壓最高值為84.6 V。

圖2 充電器主電路結構

交流輸入后接EMI濾波器，來抑制充電器產生的高次諧波，以符合相應的電磁兼容測試標準;同時，EMI濾波器可以有效衰減來自于電網的干擾，提高充電器的抗干擾性能。由于有源功率因數校正(APFC)電路輸出端的濾波電容較大，在開機瞬間有較大的浪涌電流，沖擊甚至燒毀整流橋，所以需串聯限流電阻，抑制浪涌電流，在電容充電穩定后控制繼電器短路限流電阻。

在整流橋后，采用ICE2PCS01構成平均電流控制的APFC電路，實現輸入電流波形正弦化，與電壓同相，使輸入功率因數＜92%，降低了電源對電網的干擾，滿足了現行諧波限制標準。由于APFC的穩壓作用，使得后級的DC/DC變換電路的工作點穩定，提高了控制精度和效率。

DC/DC變換電路采用半橋式拓撲。控制芯片SG2525產生脈沖寬度調制(PWM)驅動信號，經光耦隔離耦合后驅動半橋電路中的功率開關。單片機控制選通電壓或電流信號給SG2525，來實現恒壓或恒流充電。

2.2 系統連接示意圖

如圖3所示，該充電器系統主要由4塊電路板組成，其中包括AC－DC電路板，DC－DC電路板，供電電路板和控制板。各電路板間的接口連接示意圖如圖3所示，交流市電輸入AC－DC板，經橋式整流后，由DC+、DC－兩個連接端子與DC－DC板上的DC+及DC－端子相連接。DC－DC電路板上主要實現前級的APFC變換以及后級的半橋式變換，實現鉛酸電池的無損傷快速充電。BAT+和BAT－分別連接鉛酸電池的正極和負極，整個電路系統的供電由供電電路板提供，其中DC－DC電路板通過副邊供電輸入端P5、原邊供電輸入端P4與內部供電板相連接，而整個充電過程的控制及顯示信號由DC－DC板上的單片機控制信號輸入接口P3與控制板進行信號傳遞。對于一些外掛元件，由P_CTRl控制信號與功率繼電器的控制線相連接，S_CTRL與軟啟動繼電器的控制線相連接，FAN與機殼上的交流風扇相連接，P_SW為整個系統功率回路的通斷接口，Rtemp則為散熱器溫度檢測傳感器的接口。

圖3 系統連接示意圖

3 仿真與分析

采用Hyperlynx電路仿真軟件，對系統最可能出現EMI問題的DC－DC變換部分進行建模。目前Hyperlynx是應用最為廣泛的電路完整性與電磁兼容性仿真軟件。具有操作容易、易于掌握的特點［5］。可以在PCB制作之前盡可能地發現并解決隱藏的信號完整性和電磁兼容性問題，最大限度地減小產品設計失敗的概率，提高電路系統工作的可靠性，從而縮短開發周期，降低開發成本。HyperLynx的BoardSim支持信號完整性分析、串擾分析和電磁兼容性分析。本節以充電系統中DC－DC變換部分的PCB設計為例，對其關鍵網絡進行仿真分析，根據前面提出的設計方法，利用BoardSim分析設計中的信號完整性、電磁兼容性和串擾問題，生成串擾強度報告，區分并解決串擾問題。

3.1 仿真設置

對設計好的PCB文件，先將其轉換成HYP格式的PCB文件，再進行布線后的信號完整性和電磁兼容性仿真。

如圖4，圖5所示是圖3中 DC－DC變換電路HYP格式下的PCB文件及其原理圖，以此PCB為例，進行電磁兼容性的交互式批處理仿真，并對其中核心網絡進行EMI輻射仿真。

圖4 DC－DC變換PCB仿真板圖

圖5 DC－DC變換電路原理圖

原DC－DC變換電路的PCB板圖是利用Protel繪制而成。在進行實際仿真操作時，需要先將其轉換成為pcb layout能夠識別的格式，再利用layout自帶的工具轉換成為HYP格式的PCB文件，為下一步的仿真做準備。

3.2 EMC仿真

對圖示PCB圖進行批處理仿真，生成的Hyperlynx軟件仿真報告全面地分析了整板的EMC問題，對報告進行分析，將其中Warning和Warning(severe)部分進行分析，可以大致對整板可能存在問題的網絡有一個全面的認識，例如對網絡3525_START給出的分析意見為“網絡走線過長，實際長度為4.534 in(1 in=2.54 cm)，推薦最大長度為3.636 in”。在EMC批處理仿真基礎上，著重找出可能存在問題的具體網絡進行進一步的EMC交互式仿真。在這里根據報告內容，對PWM信號所在網絡進行EMC仿真。結果如圖6和圖7所示。

圖6 改善前示波器顯示的波形電壓

圖7 改善前的EMC頻譜圖

被仿真的波形電壓值如圖6所示，接收端顯示的波形呈現出很多過沖和下沖。它存在大量的高頻成分，和理論分析相符合，即開關器件存在的網絡往往由于其信號含有較多的高頻分量，流經器件本身時產生了過沖和下沖，所以在整板中是一個重要的輻射源。

圖7為在133 MHz高頻下EMC頻譜分析圖，實線垂直線代表實際PWM網絡時鐘信號基頻輻射值，上面的虛線代表 FCC美國，點劃線代表 CISPR歐洲CLASSB標準容限標準。通過分析可以看到，其輻射值超過了FCC和CISPR的Class B的標準限制。

根據仿真報告和理論分析，可擬定網絡的修改意見。

減小走線長度、增大線間距、減小介質厚度、對該網絡實現端接調整。在對原有網絡進行完善后再次仿真，觀察改善后IC接收端的波形以及不同頻率處的輻射值。

通過對比，圖8在接收端IC的過沖以及下沖已經被消除，而且，比之前的波形少了高頻成分，無論從信號完整性還是電磁輻射方面信號波形都得到改善。

同時EMC頻譜分析圖可以通過FCC和CISPR的Class B標準。

3.3 EMI抑制分析

通過以上的仿真分析，利用相關的仿真軟件可以對開關電源PCB板的EMI問題抑制措施有所了解，即增加線距減小、減小線長、減小介質層厚度、凈化入侵信號和網絡的合理端接。

4 結束語

本文基于仿真軟件Hyperlynx分析了某車載充電系統的DC－DC變換電路，對其中有開關器件存在的典型網絡進行了重點仿真。觀察其接收IC端的受串擾程度及輻射頻譜圖，根據仿真結果，采用加大線間距及串行端接的措施后，減小了整塊電路板的串擾，提高了接收顯示板接收射頻信號的穩定性，更進一步地減小了整個系統的電磁干擾問題。

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［4］路宏敏，余志勇，李萬玉.工程電磁兼容［M］.2版.西安:西安電子科技大學出板社，2010.

［5］樊世杰，范紅旗，蔡飛，等.基于HyperLynx的數字電路設計綜合仿真方法［J］.電子技術應用，2010(10):29－32.