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。