通过仿真提高设备电源的 EMI 性能

过去几年，环境保护已成为热门话题，也是近期技术发展的关键驱动因素之一，从而推动了电动汽车、更多电动飞机 (MEA)、可再生能源和许多其他应用的发展。因此，这些应用要求广泛使用开关电源。

这些电源为快速变化的技术所需的特殊功能提供电力，通常称为功率调节单元 (PCU) 或开关模式电源 (SMPS)。在 SMPS 中，切换电压和电流以调整和控制功率以匹配负载要求，从而产生与周围环境相关的电磁场，即电磁干扰 (EMI)。由于此类系统的增加以及 EMI 的不利影响，EMI 分析在产品开发中占据优先地位。

这篇文章将介绍一种在产品设计阶段通过仿真提高设计的 EMI 性能的方法，最终降低硬件验证成本并提高生产力。

在深入了解 EMI 的细节之前，让我先介绍一下电力电子在各个工程领域的实施——例如，汽车行业向更多电动汽车 (EV) 迈进的关键驱动力。

典型的 EV 动力总成由一个电能源、一个电动驱动电机和一个 PCU 组成，该 PCU 将直流电处理成与驱动电机兼容的形式。

除了动力系统，照明系统、娱乐系统、气候控制、安全系统和通信系统等多个子系统也需要专用电源。这些系统和必要的电池充电基础设施需要不同类型的 PCU。

还有许多其他使用 PCU 的应用，包括：

· 用于医院和手术室的大型备用电源系统

· MEA 倡议，其中电力用于所有非推进系统

· 调节电力以满足电网要求并优化可用可再生能源的利用

· 钢铁、造纸和类似行业中的工业电机控制

· 消费电子给手机、PC电源、照明等充电。

· 商场、电影院等商业设施。

PCU 和 EMI

PCU 在上述技术的有效运行中发挥着关键作用。这些 PCU 的核心是由各种控制系统驱动的大功率开关设备。在 PCU 中，电压和电流在高频下切换，以将输入能量转换为所需的形式。

这是通过使用硅功率器件来实现的，例如可控硅整流器 (SCR)、功率二极管、BJT、MOSFET 和 IGBT。研究提供了更高效、高功率的技术，这些技术使用碳化硅和氮化镓来制造功率二极管、BJT 和 MOSFET。根据应用和功率水平，不同的拓扑结构用于切换从几瓦到几兆瓦的功率。

与储能元件耦合的开关波形会在环境中产生电磁场。这些场与附近设备的相互作用具有严重的影响，例如电机噪声增加、医学成像中的图像失真以及可能导致安全隐患的错误通信信号。电磁场与附近设备的耦合称为 EMI。

EMI分为两类：

1) 传导发射 (CE) – 场通过传导传播并与环境耦合。传导噪声以两种形式与环境耦合，具体取决于它们流入的电流路径。

一个。共模(CM)噪声：正/线和负/中性端子同相的噪声，返回路径通过安全接地连接

湾。差模(DM)噪声：正/线端子相位与负/中性端子相位相反的噪声分量

2) 辐射发射 (RE) – 场通过空气传播到接收器。

传导发射

在切换电压和电流的开关电源中，高频、不需要的噪声信号通过连接线或电缆传播。这些噪声信号与污染源本身的电源耦合，从而影响连接到同一电源的其他设备的运行。

已经制定了几个标准，提供了维持排放水平并确认它们保持在规定范围内的指南。FCC 和 CISPR 标准规定的限制，大多数其他与 EMI 相关的标准都是基于这两个标准。

重要的是要确定要过滤的噪声水平，以便设计最佳的滤波器电路。噪声以 dB(V) 或 dB(uV) 作为频率的函数来测量。将这些测量值与标准限值进行比较，并设计适当的滤波器来减轻不需要的噪声信号。要测量硬件原型上的噪声，除了通常成本高昂的源和负载之外，还需要特殊设备。

此外，测量的准确性很大程度上取决于输入阻抗、正弦波电压源的质量以及进行测试的环境。因此，准确测量噪声发射并为系统设计合适的滤波器是一项艰巨的任务。

通常遵循一定的经验法则和经验来决定过滤器组件，这种做法容易过度设计或过滤不足。过度设计会使系统变得迟缓，而滤波不足会导致多次迭代，以达到最佳的滤波器电路设计。

设计仿真和传导发射 (CE) 测量

由于系统越来越复杂，系统仿真是必不可少的，最终有助于将仿真研究从综合性能分析扩展到 CE 测量。如前所述，噪声以 dB(V) 为单位测量为频率的函数，频率是各种频率下的信号幅度。

对信号执行快速傅里叶变换(FFT)给出构成在每个频率处测量的信号的正弦分量的幅度值，即频谱。FFT 将时域量转换为频率参数并帮助执行 CE 的 EMI 分析。

通过对设计运行瞬态分析可以获得时域量。瞬态分析输出的准确性决定了频谱的准确性。有几个因素决定了瞬态分析的准确性，例如仿真算法的准确性、结合电路寄生元件的能力、组件模型的准确性等等。

SaberRD 和其他仿真工具提供了直接从数据表和实验测量中表征开关组件的选项，包含经过行业验证的仿真模型和算法，并能够结合从 3-D 建模工具生成的寄生参数以及众多其他功能，以便对设计进行全面分析在模拟中。

为了测量频谱，该设计在仿真平台中进行建模，并在源端添加了线路阻抗稳定网络 (LISN) 以测量噪声水平。LISN 用于为传导发射提供稳定阻抗，而不会干扰被测设计所需的正常功率流。共模和差模噪声来自 LISN 的输出。

在仿真平台中，可以将设计配置为分析最坏情况。执行瞬态仿真会给出输出信号的图以及 CM 和 DM 噪声信号的测量值。这些来自 LISN 的噪声信号被绘制出来，并对它们执行 FFT。通过执行 FFT 分析，可以绘制出频谱，该频谱提供了不同频率下的噪声幅度。

该图显示了 CM 噪声信号上的 FFT。 CM 噪声的频谱与没有任何滤波器的 FCC 和 CISPR 标准的比较。据观察，噪声幅度远高于规定限值。当添加一个带接地电容器的补偿绕组时，噪声会降低。

如图所示，噪音降低了，但仍然超出了限制。输入共模电感和 Y 电容滤波器的噪声。滤波器经过优化设计，使噪声水平低于指定限值。这表明噪声水平和限值之间有足够的余量。因此，即使在进行原型开发之前，也可以在 SaberRD 等高级仿真工具中轻松设计和验证合适的滤波器。

结论

开关电源会产生噪声信号，其电平必须限制在标准规定的范围内。噪声过滤要求取决于各种因素，并且必须为给定的应用设计适当的滤波器。对噪声进行物理测量以准确设计最佳滤波器可能会非常昂贵。

这篇文章展示了一种在 SaberRD 等仿真平台中改进设计噪声性能的方法，而无需执行硬件测试。该仿真的结果有助于确定最合适的滤波器设计，以将噪声限制在指定水平内。使用这种方法，可以在设计阶段通过仿真对设计进行优化，并且可以减少硬件迭代次数，从而最大限度地降低成本和时间。