電磁兼容的數(shù)值仿真分析——CST2013

    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(jù)國軍標GJB151A的傳導發(fā)射限值CE102和輻射發(fā)射限值RE102對其進行仿真預估。

     a）傳導發(fā)射仿真（GJB151A CE102） 直流電機恒速控制驅(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GJB151A CE102在10kHZ-10MHz傳導發(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后，如何采用軟件對所需的27V電源上的傳導發(fā)射電平進行快速有效地仿真這是一個設(shè)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(guān)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(diào)制信號，在這么低的主頻下根本不會產(chǎn)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(guān)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(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，這對于電子樣機的設(shè)計者來說是相對容易的，而對于不是該電路的直接設(shè)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(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，電機采用內(nèi)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(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(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(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。當觸發(fā)抖動達到0.4us時，該控制器在2-3MHz范圍內(nèi)的傳導發(fā)射超標。這一點在實測中得以了證實。由于在實際產(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)計提供更多的認識。

    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(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行激勵。

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