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スイッチング電源PCBボードの電磁両立性のモデリング解析
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スイッチング電源PCBボードの電磁両立性のモデリング解析

スイッチング電源PCBボードの電磁両立性のモデリング解析

2022-03-01
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Author:pcb

スイッチング電源装置 PCBボード 電磁両立性のモデリングと解析, スイッチングコンバータノイズの干渉経路は、干渉源及び干渉機器の結合条件を提供する, また、コモンモード干渉と差動モード干渉の研究は特に重要である. 回路の主な構成要素の高周波モデルとコモンモードと差動モードノイズの回路モデルを主に解析した, スイッチング電源のEMC最適化設計に役立つ PCBボード. スイッチング電源のコモンモード干渉および差動モード干渉は、回路に異なる影響を及ぼす. 通常, 差動モード雑音は低周波数で支配する, そして、コモンモードノイズは高周波数で支配する, そして、コモンモード電流の放射線効果は、通常、差動モード電流1の放射線効果よりも高い. 放射線効果はずっと大きい, したがって、電源における差動モード干渉とコモンモード干渉を区別する必要がある. 差動モード干渉をコモンモード干渉と区別するために, まず、スイッチング電源の基本結合モードを検討する必要がある, そして、この基礎に, 差動モードノイズ電流とコモンモードノイズ電流の回路経路を確立することができる. スイッチング電源の伝導結合は主に以下の通りである, 容量結合, 誘導結合とこれらの結合法の混合.

PCBボード

1. Common-mode and differential-mode noise path models
In the switching power supply, 高周波変圧器の一次巻線と二次巻線間に存在する結合容量CW, パワーチューブとラジエータの間に存在する浮遊キャパシタンスCK, パワーチューブ自体の寄生パラメータ, そして、印刷されたワイヤ間の相互結合は、形成される. 相互インダクタンス, 自己インダクタンス, 相互静電容量, 自己静電容量, インピーダンス及び他の寄生パラメータは、コモンモードノイズ及び差動モードノイズ経路を構成する, これにより、コモンモードおよび差動モード干渉干渉を形成する. 抵抗の寄生パラメータモデルの解析に基づいて, 電力スイッチングデバイスのインダクタンスとキャパシタンス, 変圧器及び印刷導体, コンバータの雑音電流経路モデルを得ることができる.

2. High-frequency model of the main components of the circuit
The internal parasitic inductance and 静電容量 of the power switch tube affect the high-frequency performance of the circuit. これらのコンデンサは、高周波干渉リーク電流を金属基板12に流す, そして、パワーチューブとヒートシンクの間に浮遊キャパシタンスCKがある. 安全理由, ヒートシンクは通常接地される, 共通モードノイズパスを提供する. PWMコンバータが働くとき, スイッチング装置の仕事と共に, したがって、コモンモードノイズも発生する. ハーフブリッジコンバータ用, スイッチQ 1のドレイン電圧は常にU 1である, そして、ソース電位は0とU 1の間で変化する/2スイッチ状態の変更でQ 2のソース電位は常に0である, ドレイン電位は0でU 1である/2. スイッチチューブとラジエータを良好に接触させるために, 良好な熱伝導率を有する絶縁ガスケットまたは絶縁シリカゲルは、スイッチチューブの底部とラジエータの間にしばしば追加される. これにより、点Aとアースとの間に並列結合コンデンサCKを有することと等価になる. スイッチQ 1およびQ 2の状態が変化すると, ポイントAの可能性を変える, ノイズ電流IickはCK, 図2に示すように. 電流はヒートシンクからシャーシに到達する, シャーシ, それで, 地面, 主電源線との結合インピーダンスを有する, 図2の点線で示されるコモンモードノイズ経路を形成する. したがって, コモンモードノイズ電流は、グランドと主電源ラインとの間の結合インピーダンスZにわたって電圧降下を生じる, 共通モード雑音の形成. 絶縁変圧器は広く使用されている電力線干渉抑制対策である. その基本的な機能は、回路間の電気的分離を達成し、グランドループに起因するデバイス間の相互干渉を解決することである. 理想変圧器, それは、差動モード電流だけでなく、コモンモード電流, これはコモンモード電流に対して理想変圧器の2端子間の同一電位にあるためである, それで、それは巻線の上に磁場をつくることができません, コモンモード電流経路もない, したがって、コモンモードノイズを抑制する役割を果たす. 実際の絶縁変圧器は、一次側と二次側との間に結合コンデンサCWを有する. この結合コンデンサは、変圧器の巻線間の非誘電性及び物理的ギャップの存在によって生成される, これはコモンモード電流の経路を提供する.

通常の絶縁変圧器は、コモンモードノイズに対して一定の抑制効果を有する, しかし、コモンモード干渉を抑制する効果は、巻線間の分布容量に起因する周波数の増加と共に減少する. 通常の絶縁変圧器によるコモンモード干渉の抑制は、一次側と二次側との間の分配容量と装置の分布容量との比によって推定することができる. 通常, 一次及び二次ステージ間の分布容量は数100 pFである, そして、接地に対する分散静電容量は、数〜数十, したがって、コモンモード干渉の減衰値は約10~20倍である, それで, 20から30 dB. 分離変圧器のコモンモードノイズ抑制能力の改善, キーは、小さい結合容量を有することである. この理由から, シールド層は、変圧器の一次側と二次側との間に追加することができる. シールドは変圧器のエネルギー伝達に悪影響を及ぼさない, しかし、巻線間の結合容量に影響する. コモンモード干渉を抑制することに加えて, 遮蔽層を有する絶縁変圧器は、遮蔽層18を使用して差動モード干渉を抑制することもできる. 具体的な方法は、トランスの遮蔽層を一次側の中性端に接続することである. 50 Hzの電力周波数信号用, 一次及び遮蔽層によって形成された高い容量性リアクタンスにより, それはまだ減衰させずに変圧器効果を通して二次側に送信することができる. 高周波の差動モード干渉について, 一次側と遮蔽層との間の容量性リアクタンスがより小さくなるので, 干渉のこの部分は、分配されたキャパシタンスと、遮蔽層と第1の中性端との間の接続を介して、第2の回路に入らずに直接電力網に戻る. したがって, 変圧器の高周波をモデル化することは非常に重要である, トランスの特に多くの寄生パラメータ, 漏れインダクタンス, 一次側と二次側の間の分布容量, etc., コモンモードEMIのレベルに大きな影響を与える, 考慮すべき. 実際に, インピーダンス測定装置を使用して変圧器の主要パラメータを測定することができる, これらのパラメータを得てシミュレーション解析を行う. ハーフブリッジ回路のDC電解コンデンサCINは、対応する直列等価インダクタンスESLと直列等価抵抗を有する. これらの2つのパラメータは、回路の高周波性能にも影響する. 一般に, ESLは数十nhである. 実用的分析, 抵抗器の受動部品の高周波等価寄生パラメータ, インダクタおよびコンデンサは、高周波インピーダンスアナライザ, そして、回路シミュレーションソフトウェアのモデルライブラリからパワーデバイスの高周波モデルを得ることができる. Another factor that has a greater impact on the high-frequency noise of a circuit is the mutual coupling of the printed conductors (striplines) on the printed board. 高振幅過渡電流または急速に上昇する電圧が導体の近くに現れるとき, 干渉問題がある. プリントワイヤの結合は、通常、回路およびワイヤの相互キャパシタンスおよび相互インダクタンスによって特徴付けられる. 容量結合が結合電流を引き起こす, 誘導結合は結合電圧を引き起こす. PCB層のパラメータ, 信号線とそれらの間の間隔の痕跡はすべてこれらのパラメータに影響します. プリント回路基板トレースの高周波モデルを確立し、トレース間の寄生パラメータを抽出する際の主な困難は、プリント回路基板トレースの単位長さ当たりのキャパシタンスおよび単位長さ当たりのインダクタンスを決定することである. There are generally three methods that can be used to determine the inductance and capacitance matrix components: (1) Finite Difference Method (FDM); (2) Finite Element Method (FEM); (3) Momentum Method (MOM). 単位長さ行列が決定されたあと, a high frequency simulation model of the printed circuit board traces can be obtained through multi-conductor transmission line or partial element equivalent circuit (PEEC) theory. Cadenceソフトウェアは、強力なEDAソフトウェアです. そのspecctraquestツールを実行することができます信号の整合性と電磁両立性解析 PCBボードs. それは、与えられた構造を達成するためにプリント回路基板跡の高周波モデリングのためにも使うことができます. パラメータは PCBボード, とインダクタンスの寄生パラメータ行列, capacitance, そして、どんな形の印刷されたワイヤー跡の抵抗も生じます, そして、PEC理論を用いてEMCシミュレーション解析を行うことができる.

3. Circuit model of common mode and differential mode noise
Usually the common mode interference and differential mode interference in the circuit exist at the same time, コモンモード干渉は、電源及びグラウンドの任意の位相ラインの間に存在する, そして、差動モード干渉は、フェーズラインおよびフェーズラインの間に存在する. 差動モード干渉は低周波数で支配する高周波数でコモンモード干渉が支配する, スイッチング電源の差動モード干渉およびコモンモード干渉が回路に異なる影響を及ぼすことを示す一方で, ライン寄生パラメタは、差動モードに異なる影響を及ぼします. 線間インピーダンスは線インピーダンスと接地インピーダンスとは異なるので, 干渉が長距離にわたって送信された後, 差動モード成分の減衰は、コモンモード100の減衰よりも大きい. したがって, スイッチング電源の伝導雑音問題を解決するために, 最初にコモンモードと差動モード干渉を区別する必要がある, 共通モードと差動モードノイズ経路を確立する必要がある, そして、それぞれをシミュレートし、分析. この方法は電磁妨害を見つけるのに便利である. その問題の根本原因は解決しやすい. エンジニアリング, 電流プローブは、電源がコモンモードか差動モードかを決定するために使用することができる. プローブは、最初に単一のワイヤの誘導値を得るために個々に各々のワイヤを囲む誘導値は増加する, ラインの干渉電流はコモンモードである, それ以外の場合は. 理論解析では, 異なるシステム, それぞれのコモンモードと差動モードノイズ電流モデルを確立する必要がある. 上記の分析に基づいて, パワーデバイスの高周波モデルとプリント配線の相互結合関係の考察, ハーフブリッジQRCコンバータのコモンモードと差動モード干渉回路モデルを得る. LISN (Line ImpedenceStabilizing network) is a linear impedance fixed network specified for EMC detection. LiSnのインダクタンスは50 Hzの電力周波数信号の低インピーダンスであるので, そして、コンデンサは高インピーダンスである, 電力周波数信号lisnは、基本的に減衰されない, そして、電力はLISNを通してハーフブリッジコンバータに送られることができます. 高周波ノイズ, LiSnのインダクタンスは大きなインピーダンスを示す, そして、コンデンサは短絡回路とみなすことができる, したがって、LiSnは、被試験デバイスと電力グリッドとの間の高周波ノイズの伝送を防止する. したがって, LiSnはコモンモードと差動モード干渉として働く. The current provides a fixed impedance (50ohm) in the frequency band to be measured (typical value is 100KHz ~ 30MHz) on PCBボード.