非絶縁コンバータの電磁障害 (EMI) に対する解析とモデリング方法 (パートII)
はじめに
初期の設計段階で電磁干渉 (EMI) に対処しなかった場合、最終設計段階で部品がEMI要件を満たすことが困難になる可能性があります。EMIをモデル化して分析できることで、設計者はEMIを最適化し、設計の開始時にEMIを予測できます。
EMIには、伝導EMIと放射EMIの2種類があります。伝導EMIは物理的接触を介して (ケーブルまたは他の導体を介して受信デバイスに) 送信されますが、放射EMIノイズは物理的接触を必要とせず、オープンスペースを介して受信デバイスに送信されます。
本稿では、放射EMIと放射EMIを予測するためのモデリング方法について説明します。伝導EMIの詳細については、このシリーズのパートIをご参照ください。
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放射EMI
放射EMIを決定する従来の方法には、導出と解析に電磁場理論を使用することが含まれます。ただし、エンジニアリングアプリケーションやモデリングの場合、複雑な式を使用して放射EMIを導き出すと、EMIを完全に理解することが困難になります。さらに、EMIの問題を軽減する方法については説明されていません。代わりに、放射EMIを物理的に表現するための回路モデルを作成する方が便利です。
図1は、放射EMIの大部分がダイポール・サブアンテナを通じて放射されることを示しています。このサブアンテナは入力線と出力線で構成されており、その駆動源はコンバータのコモンモードノイズ源です。
図1 : 放射EMIのメカニズムとモデル
テブナンの定理を使用すると、コンバータは直列インピーダンスを持つ単一の電圧源と同等であると考えることができます。特にアンテナは、アンテナ自身の損失、放射エネルギー、および蓄積された近接場エネルギーを表す3つのインピーダンスを使用します。
テブナンの定理を使用すると、コンバータは直列インピーダンスを持つ単一の電圧源と同等であると考えることができます。特にアンテナは、アンテナ自身の損失、放射エネルギー、および蓄積された近接場エネルギーを表す3つのインピーダンスを使用します。
図2は非絶縁コンバータが理想的な条件にある場合 (上部回路で表示)、入力グランドと出力グランドの間にインピーダンスが存在しないことを示しています。したがって、入力グランドと出力グランドの間に電圧変動はなく、そのため等価電圧源 (VCM) はゼロです。これは、放射EMIノイズがないことを意味します。ただし、実際のシナリオ (下部回路で表示) では、ZGND1とZGND2で表される、グランド間のPCB配線によって生成されるインダクタンスにより、電圧降下が入力端子 (P1) と出力端子 (P3) の間に発生します。これにより放射EMIが発生します。
図2 : 理想的な回路モデルと実際の昇降圧コンバータ
放射EMIが回路内でどのように生成されるかを分析するには、昇降圧コンバータの等価モデルは置換定理を使用して作成する必要があります。まず、スイッチ (SW) とダイオードを等価電圧源 (VSW) と電流源 (ID) に置き換えられ、それらの効果は重ね合わせ定理を使用して別々に分析されます。
図3は、VSW電圧源がどのように放射ノイズを発生するかを示します。
図3 : 電圧源による放射EMIの生成
図4は、電流源 (ID) が放射ノイズをどのように発生するかを示します。
図4 : 電流源による放射EMIの生成
このモデルに従って、コンバータの等価電源に関連した各電源の伝達機能を取得可能です :
- 電圧源と電流源はオシロスコープで測定可能
- モデル内の各インピーダンスは、インピーダンスアナライザで測定可能
- 等価電源は計算により予測可能
図5は、等価電源を使用した予測値が回路内の実際の測定値に近いことを示しており、モデルが正確であることを示しています。
図5 : 昇降圧コンバータの等価電源の予測値と実際の比較
一方で、アンテナについて考えてみます。ワイヤーハーネスの長さは試験時に決定されることが多いため、EMI試験ではワイヤーハーネスの長さと配置に応じてアンテナ利得を一定の基準のもとで測定できます。
コンバータの等価電源と等価インピーダンスを組み合わせることで、実際の放射EMIノイズを予測できます。図6は、予測のプロセスと方法を示しています。このプロセスは、初期のスイッチングノイズと伝達ゲインを決定することから始まります。続いて、CM端子電圧、アンテナの伝達ゲイン、ソースとアンテナのインピーダンスを取得します。
図6 : 予測方法
図7に予測結果と実績の比較を示します。この波形は、2つの結果が類似していることを示しており、予測プロセスが放射ノイズを予測する有効な方法であることを意味します。
図7 : 予測された放射ノイズと実際の放射ノイズの比較
結論
MPSは、多くの非絶縁型スイッチングコンバータとコントローラ、および絶縁型コンバータを提供し、お客様のアプリケーションのニーズを満たします。EMC試験所に加え、車載アプリケーションとして、MPSの車載グレード 昇降圧コンバータと降圧コンバータは、厳しいEMI要件を満たすように設計されています。
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