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。
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。