一種Buck電路的電磁兼容分析

馮德虎, 史永勝, 趙慧榮

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術學院機電學院, 陜西 咸陽 712000; 2.陜西科技大學電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引 言

開關電源用半導體功率器件作為開關，通過改變開/關的時間比來控制輸出電壓的大小,其基本構成如圖1所示.在開關元件通斷前后產生了大幅度的電壓和電流跳變，因而會產生很大的電磁干擾.開關電源工作在幾十kHz到1 MHz的開關頻率，高頻的通斷狀態(tài)下產生的電磁干擾(EMI)通過傳輸通道耦合到系統(tǒng)內外，對系統(tǒng)內外的敏感設備造成了危害，導致系統(tǒng)的電磁兼容性能下降.主要騷擾源的研究是實現(xiàn)電磁兼容設計的關鍵,在產品設計初期利用電子軟件找到其主要騷擾途徑，將干擾程度降低到最低，可大大縮短產品的設計周期.本文在Saber中建立了開關電源DC-DC變換電路Buck電路的仿真模型，研究分析了各支路電流的時域和頻域特性，找出了其主要騷擾途徑，實現(xiàn)了其EMC設計.

圖1 開關電源的基本構成

1 Saber軟件介紹

Saber仿真軟件是美國Analogy公司開發(fā)的功能強大的電力電子系統(tǒng)仿真軟件之一，可用于電子、電力電子、機電一體化、機械、水力、控制等領域的系統(tǒng)設計和仿真.

Saber的分析功能是比較強的，主要有5種：(1)DC analysis(直流分析)，用于計算設計的工作點；(2)Transient(瞬態(tài)分析)，分析確定系統(tǒng)的時域響應；(3)AC(頻響分析)，分析系統(tǒng)隨頻率變化的響應特性；(4)Fourier和FFT(傅里葉和快速傅里葉變換分析)，將時域波形變換成頻譜；(5)IFFT(反快速傅里葉變換分析)，將頻域波形變換成時域波形.

圖2 Buck 電路圖

2 Buck電路仿真

降壓式(Buck)DC-DC變換器是構成包括開關電源等電力電子裝置的重要電路，本文研究的Buck等效電路如圖2所示，以占空比D工作的脈沖信號和轉換開關代替場效應管與二極管D、電感L、電容C、電阻R組成Buck變換電路.當開關管導通時，有電流is=iL流過電感線圈L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加，在負載R上流過電流i0，兩端輸出電壓V0，極性為上正下負.當is>i0時，電容在充電狀態(tài),這時二極管D1承受反向電壓.經時間DTs后(D=ton/Ts，ton為開關導通時間，Ts為周期)，當開關管截止時，線圈L中的磁場將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持其電流不變.負載R兩端的電壓仍是上正下負.在iL

輸入直流電源Ui設為10 V，脈沖信號源幅度Us=5 V，上升時間Tμ=0.1 ns，下降時間TF=0.1 ns,脈沖寬度PW=1 ns,周期PER=2 μs.

圖3 脈沖信號上的電壓電流 圖4 直流電源上的電壓電流

圖5(a) 電阻上的電流電壓 圖5(b) 電容上的電流電壓

圖5(c) 電感上的電流電壓 圖5(d) 二極管兩端的電流電壓

3 結果與分析

分析以上各支路的電流頻譜可以得到以下結果(如圖3～圖5所示)：

(1)在降壓式(Buck)DC-DC變換電路導通瞬間，流經電感、電容、二極管的電流明顯比流經電阻的電流大很多，在分析此電路的電流輻射場時，可以把電感、電容、二極管支路電流作為主要輻射源.

(2)電感、電容、二極管支路電流在時間t=153.06 μs時出現(xiàn)較大峰值.在相同的頻率下，它們的電流幅值近似相等，可以認為它們在t=153.06 μs時刻組成了一個高頻電流環(huán)路.

(3)電感、電容、二極管支路電流從時間t=326.81 μs開始在零值上下波動，電阻支路電流從時間t=2.397 3 ms在0.628 45 A左右波動，可以認為在時間t=326.81 μs后電路的主要騷擾源來自于電阻，而電阻中的電流僅有0.628 45 A，它帶來的電磁騷擾可以忽略不計,因此我們在進行此電路的電磁兼容設計時主要考慮時間0～326.81 μs的電磁干擾.

4 結束語

電子電路的EMI分析是一門邊緣性的學科，涉及到的學科很廣泛，值得深入研究的問題也很多.本文通過在Saber中建立DC-DC變換電路Buck電路的仿真模型，進行了支路電流信號的時域分析，發(fā)現(xiàn)了電路的主要騷擾源和騷擾途徑，可在產品設計前將電磁騷擾程度降低到最低，降低產品的研發(fā)成本.

參考文獻

[1] 龔堯莞，王子強，陳建明，等.電子電路中的電磁兼容設計[J].電子科學，2010,(2)：17-18.

[2] 方清城，李先祥. 高頻開關電源的EMC設計[J].現(xiàn)代電子技術，2009,(8)：170-172.

[3] 宋 燁.開關電源電磁兼容技術的現(xiàn)狀與解決方法[J]. 中國科技信息,2005,(14):42-44.

[4]張 聰，何 勁，張 慧. 淺論高頻開關電源的電磁兼容控制技術[J].船電技術，2005,(3):18-20.

[5]周建春，李新民，徐國林，等. 高電磁兼容性新型母線排的設計[J].電子工程師，2008,(8)：38-43.

[6]劉 捷，漆蘭芬. 高頻干擾對PCB電磁兼容性影響的仿真分析與PCB優(yōu)化設[J]. 電子質量,2006,(4):59-63.

[7]錢照明、袁義生. 開關電源EMC設計研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電子產品世界，2003,(7):51-54.

[8]E.Q.A.Larsson,M.H.J.Bollen.Some consequences for the power grid of high densities of electronic ecquipment[R].EMC on Site，Sweden.

[9] Michael K. W. Wu, C. K. Tse, O. B. Peter Chan. Development of an integrated CAD tool for switching power supply design with EMC performance evaluation[J]. IEEE Transaction on Industry Applications，1998(2)：364-373.