スイッチング電源のEMIシミュレーション設計

スイッチング電源のEMIシミュレーション設計

スイッチング周波数と電力密度の増加に伴い、スイッチング電源内部の電磁環境はますます複雑になっており、その電磁両立性は電源設計における大きな焦点と大きな難題となっています。従来の設計方法では、EMC問題は経験的設計によって対処されており、プロトタイプが確立された後にのみ最終的にEMC問題を考慮することができます。従来のEMC対策では、追加のコンポーネントを追加することしかできず、元の制御ループ帯域幅に影響を与える可能性があり、最悪の場合、システム全体を再設計して設計コストを増加させることになります。このような状況を回避するには、設計プロセスでEMCの問題を考慮し、スイッチング電源のEMIを一定の精度で分析および予測し、干渉のメカニズムと各周波数帯域での分布に応じて設計を改善してEMIレベルを下げ、設計コストを削減する必要があります。

2 スイッチング電源のEMI特性と分類
スイッチング電源の伝導電磁干渉を予測するには、その発生メカニズムとノイズ源の特性を明らかにする必要があります。電力スイッチ管はスイッチング動作が高速であるため、電圧と電流の変化率が非常に高く、立ち上がりと立ち下がりに高調波が豊富に含まれており、電磁干渉の強度が大きくなります。スイッチング電源の電磁干渉は、主にダイオード、電力スイッチングデバイス、ラジエーター、およびそれらに接続された高周波トランスの付近に集中しています。スイッチング管のスイッチング周波数は数十kHzから数MHzに及ぶため、スイッチング電源の干渉形式は主に伝導干渉と近傍場干渉です。その中でも、伝導干渉はノイズ伝播経路を通じて電力網に注入され、電力網に接続された他のデバイスに干渉します。

スイッチング電源の伝導干渉は 2 つのカテゴリに分けられます。
1) 差動モード (DM) 干渉。DM ノイズは主に di/dt によって発生します。寄生インダクタンスと抵抗により、活線と中性線の間のループで伝播し、2 本の線の間に電流 Idm を生成しますが、接地線とのループは形成されません。

2) コモンモード (CM) 干渉。CM ノイズは主に dv/dt によって発生します。PCB の浮遊容量は 2 本の電源ラインとグランド間のループで伝播し、干渉がラインとグランド間に侵入します。干渉電流は 2 本のラインのそれぞれに半分ずつ流れ、グランドが共通ループになります。実際の回路では、ライン インピーダンスの不均衡により、コモンモード信号干渉はクロストーク干渉に変換され、これを除去するのは容易ではありません。

スイッチング電源におけるEMIのシミュレーション解析
理論的に言えば、時間領域シミュレーションであれ周波数領域シミュレーションであれ、合理的な解析モデルが確立されていれば、シミュレーション結果はシステムの EMI 量子化度を正確に反映できます。

時間領域シミュレーション法では、コンバータ内のすべてのコンポーネントパラメータを含む回路モデルを確立し、PSPICEまたはSaberソフトウェアを使用してシミュレーション解析を行い、高速フーリエ解析ツールを使用してEMIのスペクトル波形を取得する必要があります。 この方法は、DMノイズの解析で検証されています。 ただし、スイッチング電源のMOSFETやIGBTなどの半導体デバイスの非線形特性と浮遊パラメータにより、モデルが非常に複雑になり、スイッチング電源の回路トポロジは動作時に常に変化するため、シミュレーションで非収束の問題が発生します。 CMノイズを検討する場合は、すべての寄生要素パラメータを含める必要があります。 寄生パラメータの影響により、FFTの結果が実験結果と一致することは困難です。 スイッチング電力コンバータは通常、広い範囲の時定数で動作し、主に3つのグループの時定数が含まれます。 出力端子の基本周波数に関連する時定数（数十ms）; スイッチング素子のスイッチング周波数に関連する時定数（数十μs） スイッチング素子のオン・オフ時の立ち上がり時間と立ち下がり時間に関連する時定数（数ns）。

このため、時間領域シミュレーションでは、非常に小さな計算ステップを使用する必要があり、計算が完了するまでに長い時間がかかります。また、時間領域法で得られた結果では、回路内のさまざまな変数が干渉に与える影響を明確に分析できないことが多く、スイッチング電源の EMI 動作を深く説明できず、EMI メカニズムの判断が欠けており、EMI を低減するための明確な解決策を提供できません。