开关模式电源转换器 EMI/EMC 的集成仿真

介绍

在电力电子领域，电磁干扰 （EMI） 和电磁兼容性 （EMC） 问题可以决定设计的成败。开关模式电源转换器虽然高效且紧凑，但却是电磁噪声的常见来源，可能会对附近的组件和系统造成严重破坏。随着设计变得越来越复杂，监管要求越来越严格，工程师需要强大的仿真工具，以便在物理原型设计之前预测和缓解这些问题。

Ansys HFSS 和 SIwave 是两个行业领先的全波仿真平台，为工程师提供了对其设计电磁行为的前所未有的洞察力。这些工具可以帮助识别潜在的 EMI 来源，了解耦合机制，并实施有效的缓解策略，所有这些都在一个节省时间和资源的虚拟环境中进行。

在本文中，我们将探讨如何将这些强大的 EM 仿真工具与 Ansys Circuit 结合使用，以解决开关模式电源转换器和类似电力电子设计中的 EMI/EMC 挑战。无论您是处理复杂的多相转换器还是电动汽车动力总成逆变器，正确的仿真方法都有助于确保您的产品符合监管标准并在预期环境中可靠运行。

Ansys SIwave

SIwave 是一种专门的混合求解器，用于 PCB 和封装设计的高效信号完整性、电源完整性和 EMI/EMC 仿真。其强大的功能使工程师能够执行全面的分析，包括从 PCB 布局中提取 S 参数、识别可能导致辐射发射的基于布局的谐振、评估 PCB 对入射源的敏感性以及模拟近场和远场。SIwave 包括针对整个 PCB 布局的自动 SI/PI/EMI 设计规则检查，这可以帮助工程师快速识别潜在问题区域并在设计周期的早期实施有效的解决方案。

 

图 1：Ansys SIwave 用于 PCB 的 SI/PI/EMI 仿真功能

 

 

图 2：SIwave 可以预测 PCB 布局和信号源的近场和远场，以识别 EMI 问题并确认是否符合 EMC 标准。

Ansys HFSS技术

HFSS 是业界领先的 3D 电磁场求解器，具有全面的 EMI/EMC 仿真功能。它提供了一个专为 EMC 应用设计的 3D 组件和模板库，包括天线、连接器、电流互感器、人体模型和屏蔽结构。工程师可以利用高效的混合求解器或网格融合来仿真 EMI/EMC 场景中典型的多尺度问题。

使用 HFSS，工程师可以创建一个复制标准 EMC 测试设置的虚拟测试台环境，从而在进行物理测试之前根据 CISPR 22、FCC Part 15 和 IEC 61000 等通用标准评估设计。此功能与为 EMC 应用量身定制的特定培训模块相结合，使电磁仿真新手也能快速掌握专业知识并将最佳实践应用于他们的设计。

 

图 3：HFSS 支持广泛的 EMI/EMC 仿真，包括抗扰度、辐射和人身安全。

 

图 4：HFSS 模型和相应的电波暗室测量中距离被测设备 1 米处的辐射发射示例（由 GEMCO/UFSC 提供）。

Ansys 电路

Ansys Circuit 为频域和时域电路仿真提供了功能齐全的功能。一个关键功能是与 Ansys EM 求解器无缝集成，从而在原理图和现场解决方案之间实现动态链接。这种联动为分析复杂电路和系统的电磁行为提供了强大的解决方案。使用 Push Excitations 功能，可以从电路仿真中传输所需的激励信息，以便在 HFSS 和 SIwave 中实现有洞察力的场可视化，并自动设置源信号的频率、幅度和相位。

Ansys Circuit 可与 EM 求解器的集成结果一起使用，以高效设计开关模式电源转换器。瞬态电路求解器可以整合有源元件（如 MOSFET 和二极管）的 SPICE 模型，以及无源元件（如电感器和电容器）的模型，这些模型包含与频率相关的效应，使其成为仿真开关电路动态行为的强大平台。包含真实的电路元件模型对于准确捕获高频开关系统的行为尤为重要。

此外，Ansys Circuit还包括一个全面的组件库，其中包括用于传导发射分析的线路阻抗稳定网络（LISN）等常见组件，使其成为EMI/EMC分析和一致性测试的多功能工具。工程师可以使用包含真实寄生效应的预先验证的模型快速构建虚拟测试设置，以反映物理一致性测试环境。

图 5 显示了电动汽车动力总成系统中牵引逆变器的 EM/电路协同仿真模型示例。牵引逆变器将车辆电池的直流电压转换为电动机的交流电压。该电路模型包括三个半桥 SiC 功率模块的详细 SPICE 模型。该电路还包括电池、LISN、逆变器控制器、电机负载电路以及与系统物理布局的 HFSS 模型的动态链接。结果包括传送到电机的电流波形、LISN 输出端口的传导发射频谱以及 20 kHz 开关频率下车辆中的磁场。

 

图 5：具有动态联动 HFSS 模型的电动汽车牵引逆变器系统的 Ansys 电路模型。

多相 Buck 转换器的工作流程

模拟四相降压转换器的传导和辐射发射的工作流程如图 6 所示。该器件是一款 DC-DC 降压转换器，具有四个并联交错相位，为负载提供电流。每个相位都由自己的开关元件 （MOSFET）、电感和控制电路组成，并且相位与相移同步。与单相转换器相比，多相降压转换器在效率、热管理、纹波减少和瞬态响应方面具有显著优势，使其成为大电流应用的首选。本例将 12 V 输入电压转换为低于 1 V，为消耗 10 安培的 SMT 元件供电。

工作流程首先将 PCB 布局导入 SIwave。SIwave 可以导入常见的 ECAD 格式，包括 ODB++、IPC-2581 和 EDB。将端口分配给信号网络，并执行频率扫描仿真以提取 PCB 布局的 S 参数。

然后将 SIwave 模型动态链接到电路原理图中，并添加有源和无源元件以完成电路模型。该电路模型包括一个 CISPR16 LISN，用于获取电源转换器的传导发射。执行时域 （瞬态） 仿真以获得输出电压和电流。时域结果会自动转换为频域，以显示传导发射频谱。可以将传导发射与器件的允许限值进行比较，并且可以使用滤波器等缓解技术来实现合规性。

然后将电路结果链接回 SIwave，为 PCB 近场和辐射场仿真提供真实的激励。这会自动为计算 PCB 发射的场级所需的复杂光谱数据创建源文件。近场可以绘制在 PCB 周围的任何指定表面上，辐射发射可以在距离 PCB 1 米或 3 米等距离处绘制。

通常需要评估外壳或外壳对 PCB 辐射的影响。通过将 SIwave 的近场解连接到 HFSS 中，可以很容易地实现这一点。近场链接会自动为 HFSS 模型创建激励、求解设置和频率扫描。可以在 HFSS 中研究外壳对 EMI/EMC 性能的影响，并且可以在所需频率下检查 EM 场分布，以了解如何缓解任何问题。

 

图 6：模拟多相降压转换器的传导和辐射发射的示例工作流程。

总结

Ansys 行业领先的电子仿真工具使设计工程师能够应对 EMI/EMC 挑战，并降低产品延迟和合规性失败的风险。集成的电磁和电路工作流程可以预测电子系统（例如此处所示的开关模式电源转换器）的传导和辐射发射。求解器之间的耦合允许从电路和场的角度分析设计性能。

HFSS 和 SIwave 提供了对系统物理布局内的场和相互作用的详细仿真。这使工程师能够识别和缓解组件和电路板级别的潜在问题，例如串扰、辐射和耦合。与高级电路求解器的集成包括信息的双向传输以及电路和电磁行为的协同仿真。通过利用这些一流的功能，工程师可以在设计过程的早期处理 EMI/EMC 问题，以降低昂贵的设计迭代风险，并确保成功开发可靠且合规的产品。