电磁兼容的数值仿真分析——CST2013

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电磁兼容的数值仿真分析——CST2013

文章来源: CST_China 录入: mweda.com

2 电磁兼容数值仿真

2.1 PCB板级EMC仿真（PWM电源控制器）

图1 电机PWM电源控制器

这是一个实例，需要根据国军标GJB151A的传导发射限值CE102和辐射发射限值RE102对其进行仿真预估。

a）传导发射仿真（GJB151A CE102）直流电机恒速控制驱动器见图1。该控制器采用27V直供电，10W的电机驱动采用15kHz调制的PWM单极脉冲序列。对27V电源线需要通过国军标GJB151A CE102在10kHZ-10MHz传导发射限值。

图2 电源控制器框图

图3 电源控制器完整电原理图

有了完整的电子样机后，如何采用软件对所需的27V电源上的传导发射电平进行快速有效地仿真这是一个设计工程师最需要知道的。

首先绝不能太实际了，不能在仿真中完全照搬整个实际样机，如，许多工程师将整个PCB上所有的器件一股脑全部放入仿真软件中，连可能几乎毫无关系的保护电路也考虑进去。倘若有些电路只是在其过流保护时方起作用的，则在仿真中可以先将其去掉或旁路掉，因为它们在正常作时是不工作的。比如本控制器中的5V和12V直流供电回路，与27V完全隔离，且不含15kHz调制信号，在这么低的主频下根本不会产生强互耦干扰信号于27V电源回路中；另外，从图3所示PCB板右边部分电路与左边的整个控制器根本没有关系。做完分析后，则可以提取最重要的部分进行仿真，见图4六个开关管所组成的PWM电路，它就是图3方框中的部分。注意，以上电路功能分析简化步骤是极其必要的，这对于电子样机的设计者来说是相对容易的，而对于不是该电路的直接设计者或者是第三方仿真软件工程师来说，是相当困难的。这也是PCB板仿真最困难之处。不是原理问题，而是信息不全的问题。

图3 电源控制器完整电原理图

以下是在路仿真软件中搭建的三相PWM逆变器。这里采用了IR公司的FET开关管的SPICE模型。

图5 三相PWM驱动逆变电路仿真模型

其中六个栅极为触发信号的输入，电机采用内阻为4欧姆的实电阻作为负载。P1(nP1)和P2(nP2)等均为探针，可给出该点处的电压和电流的时域信号及其频谱。触发信号频率为15kHz，占空比50%的方波信号。上升和下降沿时间设置为15ns（这是IRFR13N管子的极限响应速度）。加上外围电路，实际上升和下降时间将有所恶化，将使得15kHz及其谐波有所下降。另外，在实际电路中，由于前面触发信号整形驱动芯片的离散型，三组触发信号并不可能理想同步，我们称之为触发同步抖动（Timing jitter）。仿真中我们可以明显地发现开关管的响应速度和同步抖动对27V电源线上的噪声影响较大（见图6）。

图6 驱动功率为10W，不同触发抖动下27V电源线上噪声电流的幅频特性和CE102限值（粗实线）

此时27V电源上的Icc平均电流为0.41A，电源功率大约11W 。CE102限值如图6中粗实线所示，10kHz处为 94dBuA（即50mA），500kHz以上为60dBuA（即1mA）的噪声电平。仿真表明，PWM脉冲的上升下降沿越陡（即采用的开关管质量越好），则其谐波总体电平就越高；同样地，三组触发信号同步越好（即触发抖动越小，即前级触发生成模块的质量越高），则谐波总体电平也越大。当触发抖动达到0.4us时，该控制器在2-3MHz范围内的传导发射超标。这一点在实测中得以了证实。由于在实际产品中使用了1MHz的电源滤波连接器，所以该产品只在2- 3MHz处未能通过CE102的测试。

从本例可以看出，软件仿真不但能够发现电磁兼容超标的问题，而且还可以给出在不同参量下EMC特性的改变规律，从而对设计提供更多的认识。

b）辐射发射仿真（GJB151A RE102）

下面介绍辐射发射的仿真过程。同样，在正式仿真前先要对该控制器各部分的辐射电平，也即对板上各部分走线电流大小进行判定。找出那些频率高且电流大的部分，因为高频或者高谐波分量辐射较强。频率低或者电流弱的部分则可以忽略。没有主次一股脑对整个板子进行仿真是不可取的，不但计算量增加，而且可能引入误差。本控制器频率最高谐波最丰富且电流最大的是上节所分析的三相 PWM驱动逆变电路。这部分的电流比其它部分高两个量级。

由于是辐射仿真，所以必须采用电磁场仿真，而不能使用路仿真软件。场仿真则必须有结构信息，这里是PADS 格式的PCB板（见图7）

图7 电源控制器上下两层PCB板（PADS格式）