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      電磁兼容的數值仿真分析——CST2013

      文章來源: CST_China    錄入: mweda.com   

          2 電磁兼容數值仿真

          2.1 PCB板級EMC仿真(PWM電源控制器)


      圖1 電機PWM電源控制器

         這是一個實例,需要根據國軍標GJB151A的傳導發射限值CE102和輻射發射限值RE102對其進行仿真預估。

           a)傳導發射仿真(GJB151A CE102) 直流電機恒速控制驅動器見圖1。該控制器采用27V直供電,10W的電機驅動采用15kHz調制的PWM單極脈沖序列。對27V電源線需要通過國軍標GJB151A CE102在10kHZ-10MHz傳導發射限值。


      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后,如何采用軟件對所需的27V電源上的傳導發射電平進行快速有效地仿真這是一個設計工程師最需要知道的。

          首先絕不能太實際了,不能在仿真中完全照搬整個實際樣機,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,連可能幾乎毫無關系的保護電路也考慮進去。倘若有些電路只是在其過流保護時方起作用的, 則在仿真中可以先將其去掉或旁路掉,因為它們在正常作時是不工作的。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調制信號,在這么低的主頻下根本不會產生強互耦干擾信號于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系。做完分析后,則可以提取最重要的部分進行仿真,見圖4六個開關管所組成的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,這對于電子樣機的設計者來說是相對容易的,而對于不是該電路的直接設計者或者是第三方仿真軟件工程師來說,是相當困難的。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開關管的SPICE模型。


      圖5 三相PWM驅動逆變電路仿真模型

          其中六個柵極為觸發信號的輸入,電機采用內阻為4歐姆的實電阻作為負載。P1(nP1)和P2(nP2)等均為探針,可給出該點處的電壓和電流的時域信號及其頻譜。觸發信號頻率為15kHz,占空比50%的方波信號。上升和下降沿時間設置為15ns(這是IRFR13N管子的極限響應速度)。加上外圍電路,實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,在實際電路中,由于前面觸發信號整形驅動芯片的離散型,三組觸發信號并不可能理想同步,我們稱之為觸發同步抖動(Timing jitter)。仿真中我們可以明顯地發現開關管的響應速度和同步抖動對27V電源線上的噪聲影響較大(見圖6)。


      圖6 驅動功率為10W,不同觸發抖動下27V電源線上噪聲電流的幅頻特性和CE102限值(粗實線)

          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(即采用的開關管質量越好),則其諧波總體電平就越高;同樣地,三組觸發信號同步越好(即觸發抖動越小,即前級觸發生成模塊的質量越高),則諧波總體電平也越大。當觸發抖動達到0.4us時,該控制器在2-3MHz范圍內的傳導發射超標。這一點在實測中得以了證實。由于在實際產品中使用了1MHz的電源濾波連接器,所以該產品只在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現電磁兼容超標的問題,而且還可以給出在不同參量下EMC特性的改變 規律,從而對設計提供更多的認識。

          b)輻射發射仿真(GJB151A RE102)

          下面介紹輻射發射的仿真過程。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行判定。找出那些頻率高且電流大的部分, 因為高頻或者高諧波分量輻射較強。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行仿真是不可取的,不但計算量增加,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所分析的三相 PWM驅動逆變電路。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。場仿真則必須有結構信息,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  某開關管在1W等功率激勵下,PCB板上
      15kHz、 1GHz、12GHz頻點的電流分布(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,對有源器件(數模芯片、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,這些源則采用上節路仿真中所得的信號波形進行激勵。

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