本文介紹了在開關(guān)電源(升壓轉(zhuǎn)換器)中使用的電感器部分飽和磁材料的仿真工作流程。該工作流中包括印刷電路板和電力感應(yīng)器的3D模型。

 

背景

三維電磁和電路共模擬的開關(guān)模式電源,如直流-直流轉(zhuǎn)換器,涉及一個三維模型和一個電路模型。模擬三維模型CST Studio Suite和部件,通常以香料的形式,在電路示意圖,咱們的設(shè)計工作室與3D模型連接。這種方法提供了一個精確的系統(tǒng)響應(yīng),但是不能用這種香料正確地建模場分布。特別是為了模擬只能用三維電感模型建模的電感器的磁場分布。

 

此外,當(dāng)DCDC變換器的輸出電流增加時,電感器的電流也增加。電感器直流電流的進一步增加將導(dǎo)致(部分)磁飽和,導(dǎo)致電感值的降低。

 

三維電磁和電路共模擬

共同模擬的第一步是將多氯聯(lián)苯的三維模型導(dǎo)入到科技委的MW系統(tǒng)中。組件連接使用離散端口建模.每一個離散端口都被激發(fā),在三維模擬之后,S參數(shù)的結(jié)果是可用的。圖1顯示了多氯聯(lián)苯模型和離散端口。

 

圖1具有離散端口連接的直流直流轉(zhuǎn)換器電路板模型

 

在此之后,電路組件如R、L、C、二極管和晶體管在示意圖中與包含多氯聯(lián)苯寄生信息的ccMWS塊連接。無源電路元件的電行為可以用香料模型或試金石模型來表示。對于有源電路組件,需要一個香料模型。圖2顯示了電路組件和CSTM990塊的完整連接。

 

圖2MWS塊直流直流升壓變換器仿真電路示意圖

 

如前所述,為了在仿真中精確模擬電感器的場輻射,必須考慮線圈的三維模型。電感體的材料是用德貝伊1號來建模的。 標(biāo)準(zhǔn)的 -靜滲透率為125的有序磁散模型。圖3展示了cccmws內(nèi)部的電源感應(yīng)器的三維模型。在此之后,它將使用如圖4所示的導(dǎo)入子項目特性放在電路板上,然后進行模擬。

 

圖3電力感應(yīng)器的三維模型

圖43dMWS中直流-DC提升轉(zhuǎn)換器的三維電源電感連接

 

為了顯示磁場輻射的差異,我們比較了一個離散端口的電力感應(yīng)器電路建模的磁場圖和3d電感器模型(圖5)。

 

圖5三維模型與離散端口功率電感模型的磁場比較

 

同樣,我們也可以利用近場探測器觀察磁場強度的差異。與近場監(jiān)測相比,近場探測器提供了寬帶結(jié)果。探測器置于電路板上方10毫米處。圖6顯示了3d電感模型和電路模型電力電感的h場比較。

 

 

圖6三維模型與離散端口功率電感模型的H-場探針比較

 

測量遠(yuǎn)離電路板的磁場強度幾乎沒有區(qū)別。藍(lán)色區(qū)域,如圖5所示,表示當(dāng)我們遠(yuǎn)離多氯聯(lián)苯時磁場強度變得不那么明顯的區(qū)域。

 

部分飽和磁性材料的建模

在提升變換器的實際應(yīng)用中,當(dāng)功率感應(yīng)器受到高直流輸入電流時,磁材料達到飽和狀態(tài),從而導(dǎo)致相對滲透性的變化。

 

用初始磁化B-H曲線的非線性行為描述了磁材料在模擬中的飽和效應(yīng)。b-h曲線信息可以從組件供應(yīng)商那里獲得,也可以通過分析公式來描述。在這個博客中,我們使用了分析配方的材料定義,這是可以在vba宏下的ccc工作室套件中訪問到的-&tg;材料&tg;創(chuàng)建分析軟磁b(h)。此宏的接口如圖7所示。

 

這個宏只能在一個低頻率的CST工作室套件項目中看到。因此,如果您目前的ccc工作室套件項目是高頻(hf)類型,請確保切換到低頻項目類型。

 

初始滲透率、飽和磁化度和調(diào)整參數(shù)值是主要的材料輸入定義,它們被自動創(chuàng)建為參數(shù),并在參數(shù)列表窗口中列出。調(diào)優(yōu)參數(shù)值控制飽和區(qū)域中B-H曲線的斜率,默認(rèn)值為2。如果使用了bh曲線的已知點,則根據(jù)它自動計算調(diào)整參數(shù)值。

 

 

圖7分析軟磁B(H)定義

 

對于這個特殊的例子,初始滲透率是125.由于沒有進一步的材料信息,優(yōu)化參數(shù)和飽和磁化最初定義的默認(rèn)值。這兩個參數(shù)根據(jù)供應(yīng)商數(shù)據(jù)表中的直流飽和電流信息進行調(diào)整,從而使初始電感值減少20%。電感值是用磁-靜態(tài)(MS)求解器計算的。MS求解器同時計算電感值、可見電感矩陣和增量電感矩陣。由于磁材料的非線性,從增量電感矩陣中得到了電感值。

 

在圖8中,我們說明了電感體滲透率的三種不同的空間分布。首先,低直流電流幅值,無飽和,我們可以清楚地看到初始滲透率均勻分布在電感體上。當(dāng)直流電流增加時,在本例中,磁材料被部分飽和,我們可以觀察到主要在線圈中心的滲透性降低。如果我們現(xiàn)在進一步增加直流電流,在這種情況下大約8a,磁材料飽和度增加,電感降低50%的初始值。線圈內(nèi)部的滲透性現(xiàn)在大大降低.   

 

 

圖8不同飽和情況下的相對滲透性圖

 

考慮飽和效應(yīng)的模擬工作流

模擬工作流程可分為以下幾個步驟：

l電感器軟磁材料的非線性行為nt曲線建模。(見上一節(jié))

l利用" 有偏見的費勒特-埃姆耦合器 在科技委設(shè)計工作室。這將自動創(chuàng)建兩個耦合模擬項目,M-靜態(tài)和EM1(見圖9)。  

lM-靜態(tài)工程利用MS求解器計算三維電感模型周圍的偏光場。字段自動導(dǎo)出到em1項目。   

 

EM1項目是一個高頻項目,包括：

l直流直流轉(zhuǎn)換器的PC模型(必須手動導(dǎo)入)

l三維電感模型和場的M-靜態(tài)項目。  

l共模擬轉(zhuǎn)換器的電路定義和瞬態(tài)任務(wù)仿真。

 

 

圖9科技中心設(shè)計工作室有偏置鐵氧體模擬

 

在M-靜態(tài)模擬中,直流電流被定義為勵磁。這種直流電流與升壓變換器的輸入電流相對應(yīng),可以用下列公式近似：

 

 

變換器的效率是一個新的,可以假定為90%.輸入和輸出電壓以及輸出電流是轉(zhuǎn)換器的工作參數(shù)。對于這個例子,提升轉(zhuǎn)換器的工作輸入電壓為12V,輸出電壓為19V。轉(zhuǎn)換器的輸出連接到一個12歐姆電阻器,代表一個靜態(tài)負(fù)載,結(jié)果輸出電流約為1.6a。開關(guān)頻率固定在1.25兆赫,功率周期為35%。

 

對于高頻模擬,EM1項目,3d電路板模型是從ODB+布局格式。然后,3d電感模型被放置在電路板上。電感器的另一端連接到端口(在本示例7中)。這個連接是不必要的,但非常有用,因為我們可以通過這個電感監(jiān)控開關(guān)電壓和電流。電感器與電路板的連接如圖10所示。

 

 

圖10通過端口7將三維電感模型與電路板連接

 

為了進行共同仿真,將在EM1項目的示意圖中定義電路連接。電路示意圖連接與圖2所示的類似,但沒有電感香料模型。這是顯而易見的,因為現(xiàn)在電感器已經(jīng)被三維模型建模。端口7被直接短路的GND符號,以建立與電路板的電氣連接。將探測器"電源電感器"放在此連接上,以記錄電感器的電流和電壓。圖11顯示了針7的示意圖連接。  

 

圖11PIN7與已定義探針的示意圖連接

 

通過對暫態(tài)任務(wù)的仿真,可以對變換器進行完整的系統(tǒng)仿真.當(dāng)負(fù)載電流增加時,我們必須用上述公式再次計算輸入電流,并重復(fù)M-靜態(tài)和EM1項目的模擬。 

 

模擬結(jié)果

如圖11所示,電源電感器上的開關(guān)電流可以用探測器在cc設(shè)計工作室進行監(jiān)控。向電感器流入的直流電流的增大導(dǎo)致磁材料飽和,從而降低了磁材料的相對滲透性,從而降低了電感值。當(dāng)電感值降低時,也可以觀察到電感器上較高的電流脈動。從圖中可以看到 12 ,將當(dāng)前的波動與不飽和的情況進行比較。

 

在穩(wěn)定狀態(tài)下,在開關(guān)頻率下觀察到一個周期的電流波動.用2.8A直流輸入電流模擬了飽和情況。

 

圖12有和無飽和的電力感應(yīng)電流

 

我們可以看到,在磁性材料未達到飽和的情況下,所觀察到的電感電流會出現(xiàn)一個波波,其峰值到峰值的幅度約為265馬。然而,當(dāng)考慮到磁飽和度時,所觀察到的電感電流會出現(xiàn)一個波波,其最高點約330mA。

 

為了檢測電流波波是否影響發(fā)射結(jié)果,我們可以比較線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LIS)的電流譜。如圖所示 13.我們可以看到,在部分飽和情況下,只有1dbma增量(初始電感值減少20%),對于較高飽和情況,大約5dbua增量(例如,初始電感值減少50%)。由此得出結(jié)論,在此轉(zhuǎn)換器實例中,飽和效應(yīng)對電感器的發(fā)射影響很小。然而,選擇合適的電感來避免飽和是很重要的。此外,重要的是要注意,如果在EMI濾波器組件中考慮飽和效應(yīng),對EMC性能的影響將變得更加明顯。

 

圖13LIS的頻域電流

 

結(jié)論

在本博客中,考慮到磁材料對提升轉(zhuǎn)換器的飽和效應(yīng),展示了一個共同模擬工作流。該工作流是通過建立磁靜態(tài)求解器與CSTMWS頻率域求解器之間的耦合仿真實現(xiàn)的。在此例子中,電源電感器受不同的直流電流幅值來顯示飽和效應(yīng)。當(dāng)電源電感飽和時,電感器上的電流波紋增大。類似的工作流可以應(yīng)用于EMI濾波器組件,在這些組件中,飽和度對EMC性能的影響更大。