一种车载充电系统开关电源的EMC仿真分析

摘要 介绍了一种车载充电系统开关电源的工作原理，并对其实际工作中的EMI问题进行分析讨论，利用仿真软件Hyperlynx对该系统的PCB板图进行了电磁兼容仿真分析，得到PWM信号所在网络的电压波形和EMC频谱图，仿真结果显示，增加线距、减小线长、减小介质层厚度、净化Aggressor信号和网络的合理端接将对开关电源EMI问题实现有效抑制，仿真所得结果对电路的合理设计和布局有指导意义。
关键词 车载充电系统；开关电源；电磁兼容性仿真

1 开关电源电磁干扰机理与抑制措施
开关电源的开关器件应用较多的是MOSFET和GIBT。其在关断时会产生较大的电压、电流变化率。开关电源中的开关器件在关断时，电压／电流的变化率较大，会造成较大干扰。为抑制开关电源的干扰，必须了解干扰源所产生噪声信号的频谱特性。开关电源线路如图1所示。

1．1 开关电源噪声源分析
1．1．1 功率开关管
一般来说，功率开关管及其散热片与设备外壳和电源内部的引线间存在着分布电容。当开关管频繁导通和关断时，会有矩形波的形成，这种矩形波含有丰富的高频成分。由于开关管的存储时间、输入输出电容、整流二极管的反向恢复时间等，会造成很大的尖峰电流，当其流经变压器和电感产生的电磁场都可能形成噪声源，甚至可以击穿开关管。
1．1．2 高频变压器
当原导通开关管关断时，高频变压器的漏感所产生的反电动势E=-LP·di／dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。它既影响其他设备的安全和经济运行，也影响自身的工作。开关电源中的变压器作用是：隔离与储能。在高频情况下，其隔离不完全，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声易在初次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周围产生的电磁场更容易在其他引线上耦合形成噪声。
1．1．3 整流二极管
在输出整流二极管截止时有一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流恢复到零点的二极管称为硬恢复二极管。它会在变压器漏感和其他分布参数的影响下产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。PN型硅二极管用作高频整流时，正向电流蓄积的电荷在加反向电压时不能立即消除，只要这个反向电流恢复时的电流斜率过大，流过变压器线圈的电感就会产生尖峰电压。
1．1．4 电容、电感器和导线
开关电源由于工作在较高频率，会使低频元器件特性发生变化，如电路中的电容、电感和导线，在高频条件下会呈现出相应的特性变化，由此产生噪声，在对器电路进行分析时需考虑其高频模型。
1．1．5 PCB板设计
实际中，由于PCB设计不当，也会引起PCB板线与线之间、器件与线之间的干扰，如线长、线间距及介质层厚度等。这种干扰较为集中的体现为PCB板上的串扰和反射。因此，合理的PCB布局，在工程设计中是一项不容忽视的因素。[p]
1．2 常见的开关电源EMI抑制措施
在工程应用中，针对开关电源的工作原理，可从以下几方面着手解决其EMI问题：
(1)屏蔽技术。屏蔽是抑制开关电源辐射干扰的一种方法，用电磁屏蔽的方法解决电磁干扰问题不会影响电路的正常工作。所谓电磁屏蔽就是以某种材料制成的屏蔽壳体，将需要屏蔽的区域封闭，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能越出这一区域，而外来的辐射电磁场不能进入这一区域。
(2)滤波技术。滤波是抑制传导干扰的一种有效的办法。从频谱角度分析，滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法，当骚扰频谱成分不同于有用信号频带时，可以用滤波器进行骚扰滤除。滤波器的作用是允许工作信号通过，而对非工作信号进行最大程度地衰减。在电源输入端加接滤波器可以有效抑制开关电源产生的干扰以及其反馈回电网的干扰，也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。
(3)接地技术。接地技术不仅是保证系统正常工作的有效手段，同时也是抑制电磁干扰，保障设备或系统电磁兼容性，提高设备或系统可靠性的重要技术措施，是保护设施和人身安全的必要手段。“接地”的一个含义是为实际的电路或系统提供一个零电位参考点，也就是平常所说的接大地，另一个含义是为电路或系统与“地”之间建立低阻抗通路，也就是在设备里建立一个公共参考电位点。实际应用中，主要考虑安全接地和信号接地两大类。

2 某车载充电系统工作原理
2．1 充电器主回路
充电器主回路结构如图2所示，采用两级结构：一级为APFC变换，将市电220 V变换成380 V直流电压；二级为DC／DC变换，将380 V直流电压变换成电池组需要的充电电压，对于72 V的铅酸电池，其充电电压最高值为84．6 V。

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交流输入后接EMI滤波器，来抑制充电器产生的高次谐波，以符合相应的电磁兼容测试标准；同时，EMI滤波器可以有效衰减来自于电网的干扰，提高充电器的抗干扰性能。由于有源功率因数校正(APFC)电路输出端的滤波电容较大，在开机瞬间有较大的浪涌电流，冲击甚至烧毁整流桥，所以需串联限流电阻，抑制浪涌电流，在电容充电稳定后控制继电器短路限流电阻。
在整流桥后，采用ICE2PCS01构成平均电流控制的APFC电路，实现输入电流波形正弦化，与电压同相，使输入功率因数92％，降低了电源对电网的干扰，满足了现行谐波限制标准。由于APFC的稳压作用，使得后级的DC／DC变换电路的工作点稳定，提高了控制精度和效率。
DC／DC变换电路采用半桥式拓扑。控制芯片SG2525产生脉冲宽度调制(PWM)驱动信号，经光耦隔离耦合后驱动半桥电路中的功率开关。单片机控制选通电压或电流信号给SG2525，来实现恒压或恒流充电。
2．2 系统连接示意图
如图3所示，该充电器系统主要由4块电路板组成，其中包括AC-DC电路板，DC-DC电路板，供电电路板和控制板。各电路板间的接口连接示意图如图3所示，交流市电输入AC-DC板，经桥式整流后，由DC+、DC-两个连接端子与DC-DC板上的DC+及DC-端子相连接。DC-DC电路板上主要实现前级的APFC变换以及后级的半桥式变换，实现铅酸电池的无损伤快速充电。BAT+和BAT-分别连接铅酸电池的正极和负极，整个电路系统的供电由供电电路板提供，其中DC-DC电路板通过副边供电输入端P5、原边供电输入端P4与内部供电板相连接，而整个充电过程的控制及显示信号由DC-DC板上的单片机控制信号输入接口P3与控制板进行信号传递。对于一些外挂元件，由P_CTR1控制信号与功率继电器的控制线相连接，S_CTRL与软启动继电器的控制线相连接，FAN与机壳上的交流风扇相连接，P_SW为整个系统功率回路的通断接口，Rtemp则为散热器温度检测传感器的接口。

3 仿真与分析
采用Hypelynx电路仿真软件，对系统最可能出现EMI问题的DC-DC变换部分进行建模。目前Hyperlynx是应用最为广泛的电路完整性与电磁兼容性仿真软件。具有操作容易、易于掌握的特点。可以在PCB制作之前尽可能地发现并解决隐藏的信号完整性和电磁兼容性问题，最大限度地减小产品设计失败的概率，提高电路系统工作的可靠性，从而缩短开发周期，降低开发成本。HyperLynx的。BoardSim支持信号完整性分析、串扰分析和电磁兼容性分析。本节以充电系统中DC-DC变换部分的PCB设计为例，对其关键网络进行仿真分析，根据前面提出的设计方法，利用Boardsim分析设计中的信号完整性、电磁兼容性和串扰问题，生成串扰强度报告，区分并解决串扰问题。[p]
3．1 仿真设置
对设计好的PCB文件，先将其转换成HYP格式的PCB文件，再进行布线后的信号完整性和电磁兼容性仿真。

如图4，图5所示是图3中DC-DC变换电路HYP格式下的PCB文件及其原理图，以此PCB为例，进行电磁兼容性的交互式批处理仿真，并对其中核心网络进行EMI辐射仿真。

原DC-DC变换电路的PCB板图是利用Protel绘制而成。在进行实际仿真操作时，需要先将其转换成为pcb layout能够识别的格式，再利用layout自带的工具转换成为HYP格式的PCB文件，为下一步的仿真做准备。
3．2 EMC仿真
对图示PCB图进行批处理仿真，生成的Hyperlynx软件仿真报告全面地分析了整板的EMC问题，对报告进行分析，将其中Warning和Warni ng(severe)部分进行分析，可以大致对整板可能存在问题的网络有一个全面的认识，例如对网络3525_START给出的分析意见为“网络走线过长，实际长度为4．534 in(1 in=2．54 cm)，推荐最大长度为3．636 in”。在EMC批处理仿真基础上，着重找出可能存在问题的具体网络进行进一步的EMC交互式仿真。在这里根据报告内容，对PWM信号所在网络进行EMC仿真。结果如图6和图7所示。

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被仿真的波形电压值如图6所示，接收端显示的波形呈现出很多过冲和下冲。它存在大量的高频成分，和理论分析相符合，即开关器件存在的网络往往由于其信号含有较多的高频分量，流经器件本身时产生了过冲和下冲，所以在整板中是一个重要的辐射源。

图7为在133 MHz高频下EMC频谱分析图，实线垂直线代表实际PWM网络时钟信号基频辐射值，上面的虚线代表FCC美国，点划线代表CSPR欧洲CLASS B标准容限标准。通过分析可以看到，其辐射值超过了FCC和CISPR的Class B的标准限制。
根据仿真报告和理论分析，可拟定网络的修改意见。
减小走线长度、增大线间距、减小介质厚度、对该网络实现端接调整。在对原有网络进行完善后再次仿真，观察改善后IC接收端的波形以及不同频率处的辐射值。

通过对比，图8在接收端IC的过冲以及下冲已经被消除，而且，比之前的波形少了高频成分，无论从信号完整性还是电磁辐射方面信号波形都得到改善。
同时EMC频谱分析图可以通过FCC和CISPR的Class B标准。
3．3 EMI抑制分析
通过以上的仿真分析，利用相关的仿真软件可以对开关电源PCB板的EMI问题抑制措施有所了解，即增加线距减小、减小线长、减小介质层厚度、净化入侵信号和网络的合理端接。

4 结束语
本文基于仿真软件Hyperlynx分析了某车载充电系统的DC-DC变换电路，对其中有开关器件存在的典型网络进行了重点仿真。观察其接收IC端的受串扰程度及辐射频谱图，根据仿真结果，采用加大线间距及串行端接的措施后，减小了整块电路板的串扰，提高了接收显示板接收射频信号的稳定性，更进一步地减小了整个系统的电磁干扰问题。