【《DC-DC变换器传导EMI的建模与仿真探析案例》6200字】

DC-DC变换器传导EMI的建模与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15668DC-DC变换器传导EMI的建模与仿真分析案例 1176211.1引言 1276351.2电路元件的高频建模 2255441.2.1变压器高频建模 2325551.2.2功率二极管和MOSFET建模 412971.2.3电容、电阻、电感高频参数提取 623381.3DC/DC变换器PCB高频参数的提取 886591.1.1电容矩阵 9303391.1.2电阻与电感矩阵 12132751.4基于Saber的传导EMI仿真 171.1引言随着电力电子技术的发展与进步，开关电源的开关频率以及功率密度都得到了很大的提高，从而引起了更高的dv/dt和di/dt，进而导致了开关电源内部电磁环境愈加恶劣，其产生的电磁干扰对电源本身工作产生严重影响。对于开关电源这类板级系统，其内部传导EMI占电磁干扰的主要部分。在对开关电源进行测试性设计的过程中，由于电源内部传导EMI的存在，使得测试节点信号的特征参数与假定完美测试条件下产生较大偏差，从而对测试性分析的故障检测率、故障隔离率等产生影响。因此，准确分析电源内部传导EMI情况，对开关电源的测试性设计十分重要。本章对开关电源的传导EMI进行建模与仿真，首先对电路内元器件进行高频建模，包括变压器、功率二极管、功率MOSFET、电容、电感、电阻；其次借助ANSYSQ3D软件提取电源PCB板的高频寄生参数，完成对电源电路的高频建模；最后在Saber软件中对电源高频电路进行仿真，分析电源传导EMI产生的影响。1.2电路元件的高频建模1.2.1变压器高频建模本课题所研究的DC/DC变换器，其主体功率部分的拓扑结构是推挽电路，其中推挽变压器是功率电路中的核心器件，可以起到隔离、变压、能量存储与传递的作用。但是变压器内部存在漏感、分布电容等寄生参数。这些寄生参数不仅加大了开关损耗以及器件应力，而且是造成传导EMI的重要因素并给传导EMI提供了耦合通道。因此变压器的高频建模对DC/DC变换器的建模十分重要。目前，广泛使用的变压器高频模型如图3-1所示。图3-1变压器高频模型其中，、分别为变压器原副边绕组电感；、分别为原副边绕组漏感；、分别为原副边绕线电阻；、分别为原副边绕组分布电容；为原副边绕组间电容。变压器原边流过电流时会产生磁通，绝大部分磁通都被束缚在铁心中并流经副边，但是有少部分磁通会通过空气形成回路，无法通过副边，这部分磁通被称为漏磁通，由漏磁通引起的电感效应被称作漏感[64]。由电磁场理论可知，虽然漏感是分布在变压器的整个线圈中的，但是其可以用一个集中参数表示，如原边漏感、副边漏感[75]。在用LCR测试仪对变压器漏感测试时，需要将变压器的另一侧绕组短路，此时LCR测试仪所测得电感值即为漏感值，如图3-2所示。图3-2漏感测试本文在测试时采用TH2829XLCR测试仪，在测试变压器漏感时按照上述短路法进行测试，测试时选用LsRs功能，在测试漏感过程中可以同时得到寄生电阻的值。本文所研究的DC/DC变换器所采用的是原副边均具备中心抽头的推挽变压器，原边中心抽头上方绕组编号为1，下方绕组编号为2，副边同理，编号为3，4。按照上述漏感测量方法，可得到6组漏感测试值：(12)=0.34087μH，(13)=0.78565μH，(14)=1.44202μH，(23)=1.07434μH，(24)=1.20172μH，(34)=6.27492μH。四组寄生电阻值分别为：(1)=74.72mΩ，(2)=74.06mΩ，(3)=204.95mΩ，(4)=239.10mΩ。在测量组间电容时，需要将变压器原副边均短路进行测量，如下图3-3所示。测量功能选择CpD，此时LCR测试仪所测电容即为组间电容。图3-3组间电容测试按照此方法测得组间电容为：=48.1116pF。对于原副边分布电容、，可以通过使用网络分析仪计算得到。使用网络分析仪分别测量原副边的阻抗特性曲线和相频特性曲线，分别得到原副边的谐振频率，由公式3-1计算得到： (3-1)其中是谐振频率，L是电感值，由LCR测试仪测量变压器开路电感得到。分别将推完变压器四组谐振频率和电感值带入(3-1)中可得：(1)=16.125pF，(2)=19.226pF，(3)=22.176pF，4)=25.127pF。1.2.2功率二极管和MOSFET建模功率二极管在电路中承担整流的作用，二极管在反向截至时有反向恢复电流流过，该电流在短时间内急剧减少，产生较高的电流变化，并形成关断电压尖峰，是传导EMI的主要干扰源；功率MOSFET的高频开关动作伴随着高次谐波的产生，也是传导EMI的主要干扰源。因此，功率二极管和MOSFET的准确建模对传导EMI的分析十分重要。本文基于Saber软件中的ModelArchitect模块进行功率器件建模，该模块可以方便快捷的对二极管、MOSFET、三极管等进行建模。建模仿真结果与器件实际工作特性基本一致。1.2.2.1功率二极管模型本文所研究的DC/DC变换器所用的二极管型号为30CPU04，在对二极管进行建模时，可利用二极管数据手册，二极管技术手册会提供详细的器件特性曲线，如正向伏安特性曲线、电容特性曲线和反向恢复电流曲线等。Saber的ModelArchitect模块可利用这些特性曲线数据进行建模，在建模过程中，先导入特性曲线，该工具会使用自带模型进行拟合，得到符合特性曲线的器件寄生参数。ModelArchitect中功率二极管的高频模型如图3-4所示，主要由四个理想器件组成：其中为杂散电容；是用电荷存储效应来描述二极管反向恢复特性的参数；为导通电阻；为理想二极管。ModelArchitect模块通过对二极管正向伏安特性曲线进行数据拟合，得到的开关特性和导通电阻，通过拟合电容特性曲线得到杂散电容，通过分析反向恢复电流曲线得到电荷存储参数。图3-4功率二极管高频模型1.2.2.2MOSFET模型在DC/DC变换器中功率MOSFET是主要的噪声源，MOSFET高频模型的准确性是传导EMI预测的关键。本文所用的功率MOSFET型号为IRFB260N。MOSFET内的寄生参数主要包括极间寄生电容、寄生电阻以及寄生二极管。MOSFET的寄生极间电容主要分为两种：一是PN结寄生的漏极源极间电容；二是与MOS结构有关的寄生电容，包括栅极漏极间电容和栅极源极间电容。这三个寄生电容的电容值会随漏源电压变化而变化，在数据手册内电容特性曲线中，主要通过输入电容、输出电容以及转移电容来描述这三个寄生电容，其描述公式(3-2)如下所示。 (3-2)在SaberModelArchitect模块中，MOSFET的高频模型如图3-5所示。其中，为漏极电阻，为栅极电阻，为源极电阻，极间电容分别为、、，D为理想二极管。借助公式(3-2)，通过对数据手册上的电容特性曲线进行数据拟合得到随漏源电压变化的极间电容参数。同理，通过分析拟合MOSFET的转移特性曲线，得到MOSFET的寄生电阻参数。图3-5MOSFET高频模型1.2.3电容、电阻、电感高频参数提取1.2.1.1电容高频参数在高频开关电源中，电容是常用的无源器件之一，常用的电容有铝电解电容、陶瓷电容和薄膜电容，主要用于储能、滤波、EMI抑制等方面。然而实际的电容器件并不是理想的，其等效电路如图3-6所示。图3-6实际电容的等效电路其中为电容介质的极化损耗和电阻性损耗，这个值通常很大。代表极板电阻可以用等效串联电阻来代替。和分别代表电容引线包含的电感和电容，通常比理想电容小得多可以忽略。而对本文所使用的薄膜电容来说，由于电容制作工艺的进步，并且比例太小现在已经逐渐忽略。这样可得到电容的高频简化模型，如图3-7所示。图3-7电容高频简化模型对于本文所研究的DC/DC变换器其内部滤波电容为薄膜电容，按照高频简化模型测得电容=5.46388μF，=0.12529Ω。1.2.1.2电感高频参数电感是高频开关电源进行能量传播的一个不可缺少的元件，在电路中承担着筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。然而实际的电感并不是理想的，其等效电路如图3-8所示。图3-8实际电感等效电路其中为绕组电阻，在高频时影响较小可以忽略；为绕组电容。和分别为电感引线所带来的电感和电容，由于比小得多，比小，一般将和忽略。在忽略磁芯的寄生效应（如涡流损耗和磁滞损耗）影响下，电感的高频简化等效电路模型如图3-9所示。图3-9电感高频简化等效电路1.2.1.3电阻高频参数电阻作为高频开关电源中最常用的器件，在采样反馈等部分承担着重要的作用，常见的电阻主要分为复合型碳纤维、线绕型和薄膜型三种。然而实际使用的电阻也并不是理想的。其等效电路如图3-10所示。图3-10实际电阻的等效电路其中，电阻引线带来的电感和电阻分别是和，为漏电容。将和并联合并得到，从而得到电阻的高频简化模型，如图3-11所示。图3-11电阻高频简化等效电路1.3DC/DC变换器PCB高频参数的提取在PCB设计过程中，由于器件的布局以及PCB板的布线问题，使得PCB板中存在着大量的杂散参数，其中包括PCB布线导体自身的电阻、电感以及对地平面的寄生电容，以及不同走线导体之间互容、互感。其中，PCB走线导体的电阻、电感直接串入了传导EMI的传输路径中，进而会对传导EMI的幅值产生影响。PCB走线的对地寄生电容为共模传导EMI提供了耦合途径，电容大小影响着共模干扰的大小。导体之间的互容以及互感为差模干扰提够了耦合途径，进而影响着差模干扰的大小。因此，准确分析提取PCB的寄生参数对传导EMI的仿真分析十分重要。本文使用ANSYSQ3D软件对PCB的寄生参数进行提取。为了更加精确的抽PCB互连结构的寄生参数，Q3D采用了将计算电磁学中有限元与矩量法结合的方法进行电磁场的求解。Q3D采用有限元方法对整个问题空间进行网格剖分计算，采用矩量法对导体和介质表面进行网格剖分计算。为了获得网格数量与计算精度之间最佳的平衡，Q3D采用了自适应网格剖分技术。Q3D的寄生参数求解过程主要包括对问题结构空间进行网格剖分，假设某一导体被激励源激励并求解问题结构的全部基本电磁场量，最后通过基本电磁场量求解导体的寄生电容矩阵、寄生电阻矩阵和寄生电感矩阵。图3-12为在ANSYSQ3D软件中建立的3D模型图。图3-12PCB3D模型图1.1.1电容矩阵PCB板的寄生电容参数包括两部分：一是PCB布线导体本身对地平面的寄生电容；二是PCB导体与导体之间的互容()。为了方便对寄生电容参数求解过程进行说明，以含有三个导体的PCB板的求解过程为例，如图3-13所示。ANSYSQ3D在求解电容矩阵时，首先需要在每个导体上设置一个注入端与一个流出端。在注入端上施加一个电压，则每个导体上都会产生相应的感应电荷。软件通过自带的算法可以求解得到各导体上的感应电荷，进而可以计算出PCB板的寄生电容参数矩阵。图3-13电容矩阵求解示意图 (3-3)式中、、分别表示导体1、2、3上的感应电荷；、、为各导体对地的寄生电容；、、、、、为各导体间的互容；、、为各导体上所施加的注入电压。推广到n个导体有： (3-4)上述公式可以简写为，对PCB板上的各个导体施加电压向量，令的第行为1，其余的行均为0。此时的电荷向量即为寄生电阻矩阵的第列，如式(3-5)所示。同理便可求出寄生电容矩阵的所有列向量。 (3-5)ANSYSQ3D使用矩量法对电荷向量进行求解，在对电荷向量进行求解前，需要将各个导体分成N个三角网络，如图3-14所示。图3-14导体网格剖分示意图然后将特定电压向量（第行为1，其余的行均为0）注入到PCB板中，此时在导体上的每个三角网格上均产生一个脉冲电压。假定存在一组系数，由式(3-6)便能得到各个导体的体电荷密度向量，进而通过式(3-7)算出导体的感应电势向量，将得到的与电压向量比较，若不相等则对进行修改，并重新进行计算直至所得的向量与向量相等。取此时计算得到的电荷密度进行积分即可得到感应电荷。 (3-6) (3-7)表3-1为ANSYSQ3D得到的寄生电容矩阵。表3-1寄生电容矩阵(pF)导体1导体2导体3导体4导体5导体6导体7导体14.22346-1.24233-0.00031-0.00156-0.00968-0.01657-0.02178导体2-1.2423311.01471-0.00279-0.00591-0.06251-0.10489-0.06234导体3-0.00031-0.002791.62121-0.00015-0.13850-0.00313-0.00185导体4-0.00156-0.00591-0.000151.34895-0.00199-0.05937-0.05804导体5-0.00968-0.06251-0.13850-0.0019937.24797-0.46053-0.09156导体6-0.01657-0.10489-0.00313-0.05937-0.460536.21976-2.86979导体7-0.02178-0.06234-0.00185-0.05804-0.09156-2.869796.27336导体8-0.05221-0.15132-0.83465-0.55341-0.64363-0.31342-0.79820导体9-0.00016-0.00102-0.00003-0.00002-1.12075-0.00046-0.00011导体10-0.23126-5.76531-0.00023-0.00056-0.01135-0.02204-0.00555导体11-0.43271-0.47288-0.00006-0.00012-0.00259-0.00316-0.00099导体12-0.03727-0.40678-0.59357-0.63165-16.96322-2.24198-2.20616导体13-0.00556-0.04742-0.00101-0.00050-17.42007-0.01118-0.00326续表3-1导体8导体9导体10导体11导体12导体13导体1-0.05221-0.00016-0.23126-0.43271-0.03727-0.00556导体2-0.15132-0.00102-5.76531-0.47288-0.40678-0.04742导体3-0.83465-0.00003-0.00023-0.00006-0.59357-0.00101导体4-0.55341-0.00002-0.00056-0.00012-0.63165-0.00050导体5-0.64363-1.12075-0.01135-0.00259-16.96322-17.42007导体6-0.31342-0.00046-0.02204-0.00316-2.24198-0.01118导体7-0.79820-0.00011-0.00555-0.00099-2.20616-0.00326导体821.24478-0.00024-0.01129-0.00205-19.82884-0.00875导体9-0.000241.21226-0.00017-0.00004-0.02678-0.02591导体10-0.01129-0.000176.28164-0.02873-0.01926-0.00501导体11-0.00205-0.00004-0.028731.00786-0.00509-0.00143导体12-19.82884-0.02678-0.01926-0.0050951.03593-9.14300导体13-0.00875-0.02591-0.00501-0.00143-9.1430027.022871.1.2电阻与电感矩阵由于集肤效应的存在，电阻与电感参数受到频率的影响较大。在利用ANSYSQ3D进行电阻、电感寄生参数求解时，需要将其为直流(DC)条件下和高频交流(AC)条件下分别进行处理。对于包含n个导体的PCB板，与电容寄生参数计算类似，可以得到： (3-8)其中，表示第个导体上的压降，表示第个导体中流过的电流，表示第个导体自身的电阻，()表示导体与导体之间的耦合电阻。电阻矩阵的具体求解过程与电容矩阵相似在此不再赘述。上述方法得到的是DC电阻矩阵，由于集肤效应的存在还需要求解高频下的AC电阻矩阵。导体中的集肤深度可由式(3-9)得到。 (3-9)其中，为DC/DC变换器的工作频率，为导体材料的电导率，为所使用导体材料的相对电导率，为绝对磁导率。寄生电感阵的求取方法与电阻阵类似，分为DC电感矩阵和AC电感矩阵，在此不再叙述。表3-2、表3-3、表3-4、表3-5分别为ANSYSQ3D得到的电阻与电感矩阵。

表3-2DC电阻矩阵(Ω)导体1导体2导体3导体4导体5导体6导体7导体10.00099000000导体200.1131400000导体3000.010490000导体40000.00879000导体500000.0044100导体6000000.000840导体70000000.00172导体80000000导体90000000导体100000000导体110000000导体120000000导体130000000续表3-2导体8导体9导体10导体11导体12导体13导体1000000导体2000000导体3000000导体4000000导体5000000导体6000000导体7000000导体80.0043000000导体900.002590000导体10000.00203000导体110000.0005100导体1200000.001790导体13000000.00397

表3-3AC电阻矩阵(Ω)导体1导体2导体3导体4导体5导体6导体7导体10.001540.000680.000070.00004-0.000120.00015-0.00007导体20.000680.116980.000360.00005-0.000710.00067-0.00031导体30.000070.000360.011170.00004-0.000170.00009-0.00005导体40.000040.000050.000040.009210.00009-0.000120.00014导体5-0.00012-0.00071-0.000170.000090.00744-0.000300.00013导体60.000150.000670.00009-0.00012-0.000300.00174-0.00047导体7-0.00007-0.00031-0.000050.000140.00013-0.000470.00235导体8-0.00027-0.00149-0.000450.000220.00064-0.000480.00023导体90.000010.000070.000010.00000-0.000120.00001-0.00001导体10-0.00036-0.00161-0.00012-0.000020.00032-0.000360.00016导体110.000060.000520.00006-0.00002-0.000130.00011-0.00008导体120.000230.001020.000560.00009-0.000270.00025-0.00012导体130.000090.000220.000020.000090.000740.00002-0.00001续表3-3导体8导体9导体10导体11导体12导体13导体1-0.000270.00001-0.000360.000060.000230.00009导体2-0.001490.00007-0.001610.000520.001020.00022导体3-0.000450.00001-0.000120.000060.000560.00002导体40.000220.00000-0.00002-0.000020.000090.00009导体50.00064-0.000120.00032-0.00013-0.000270.00074导体6-0.000480.00001-0.000360.000110.000250.00002导体70.00023-0.000010.00016-0.00008-0.00012-0.00001导体80.00741-0.000030.00057-0.00024-0.000540.00005导体9-0.000030.00278-0.000030.000010.00005-0.00003导体100.00057-0.000030.00347-0.00026-0.00046-0.00013导体11-0.000240.00001-0.000260.000760.000170.00005导体12-0.000540.00005-0.000460.000170.003500.00039导体130.00005-0.00003-0.000130.000050.000390.00670表3-4DC电感矩阵(nH)导体1导体2导体3导体4导体5导体6导体7导体14.911891.473200.155200.15903-0.054160.19040-0.08454导体21.4732096.153171.51553-0.27020-4.446372.90799-1.51872导体30.155201.515539.193700.04549-2.154850.59068-0.34773导体40.15903-0.270200.045497.853950.84908-0.763540.59668导体5-0.05416-4.44637-2.154850.8490836.05050-2.660471.33330导体60.190402.907990.59068-0.76354-2.660478.13186-1.83741导体7-0.08454-1.51872-0.347730.596681.33330-1.837415.34982导体8-0.50557-7.34881-2.824612.259056.47712-4.460602.51822导体90.016180.235530.06434-0.01834-0.785650.09020-0.04751导体10-0.98842-7.94762-0.241500.020360.68897-0.630830.31572导体110.098391.544440.05654-0.06474-0.288820.20112-0.10850导体120.511945.029351.340870.12269-7.043811.45595-0.83200导体130.349020.855010.424270.4851811.60556-0.125050.03058续表3-4导体8导体9导体10导体11导体12导体13导体1-0.505570.01618-0.988420.098390.511940.34902导体2-7.348810.23553-7.947621.544445.029350.85501导体3-2.824610.06434-0.241500.056541.340870.42427导体42.25905-0.018340.02036-0.064740.122690.48518导体56.47712-0.785650.68897-0.28882-7.0438111.60556导体6-4.460600.09020-0.630830.201121.45595-0.12505导体72.51822-0.047510.31572-0.10850-0.832000.03058导体824.89031-0.192941.21329-0.37225-1.866950.59055导体9-0.192942.60074-0.043020.015310.24272-0.26189导体101.21329-0.043028.52530-0.69868-0.78677-0.21347导体11-0.372250.01531-0.698681.583290.17973-0.02869导体12-1.866950.24272-0.786770.1797320.640081.67321导体130.59055-0.26189-0.21347-0.028691.6732121.87195表3-5AC电感矩阵(nH)导体1导体2导体3导体4导体5导体6导体7导体14.314982.878130.052230.09704-0.017450.10455-0.04977导体22.8781391.504440.76733-0.14037-2.640131.74327-0.89657导体30.052230.767338.389220.08168-1.338830.12361-0.08399导体40.09704-0.140370.081687.560090.25245-0.257060.21603导体5-0.01745-2.64013-1.338830.2524525.95171-0.838280.43154导体60.104551.743270.12361-0.25706-0.838285.48163-2.25623导体7-0.04977-0.89657-0.083990.216030.43154-2.256234.02888导体8-0.18804-4.53214-1.217151.610702.73252-2.314631.43083导体90.008420.129100.020130.00212-0.247300.02054-0.01461导体10-0.55418-6.42182-0.051110.003890.