反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源傳導(dǎo)干擾研究

余 凱，廖惜春

（五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門529020）

開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性穩(wěn)壓電源相比具有體積小、重量輕、效率高、功耗少，穩(wěn)壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地運(yùn)用于電子系統(tǒng)領(lǐng)域。但是開關(guān)穩(wěn)壓電源在工作過程中內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓形成干擾源，通過傳導(dǎo)后會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾，并影響同一電網(wǎng)中其他電子設(shè)備的正常工作。同時(shí)，世界各國(guó)都相應(yīng)制定了自己的EMC標(biāo)準(zhǔn)。比較著名的有國(guó)際電工委員會(huì)的IEC61000及CISPR系列標(biāo)準(zhǔn)、美國(guó)聯(lián)邦通信委的FCC系列標(biāo)準(zhǔn)、歐洲共同體的EN系列標(biāo)準(zhǔn)，隨著國(guó)際電磁兼容法規(guī)的日益嚴(yán)格，產(chǎn)品的電磁兼容（EMC）性能越來越受到重視，對(duì)EMC的要求越來越嚴(yán)格。所謂EMC是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)該環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生不能承受的電磁干擾能力。

本文以反激式開關(guān)電源為研究對(duì)象，利用電容、電感、變壓器、MOSFET、功率二極管的高頻模型組建了仿真電路，用pspice軟件［1，2］對(duì)電路進(jìn)行了仿真，并對(duì)傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生的原因、過程進(jìn)行了分析。

1 傳導(dǎo)干擾分析及元器件的高頻模型

1.1 傳導(dǎo)EMI產(chǎn)生機(jī)理

為了對(duì)開關(guān)電源傳導(dǎo)EMI進(jìn)行研究，考慮到硬件選擇和設(shè)計(jì)中傳導(dǎo)EMI的復(fù)雜性，本文以單端反激式開關(guān)電源為研究對(duì)象。通常根據(jù)傳導(dǎo)耦合方式的不同，可以將電磁干擾分為差模（DM）和共模（CM）［3－5］。共模電流（ICM）的特征是以幅度相同、相位相同，往返于任一AC線（L，N）與零線之間的噪聲電流。差模電流（IDM）的特征是往返于相線與中線之間且相位相反的噪聲電流。

圖1所示是反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的模型。交流電壓通過開關(guān)電少源中的整流濾波電路，輸出穩(wěn)定的直流電壓。在傳輸?shù)倪^程中變壓器T中會(huì)產(chǎn)生漏感，輸出二極管VD5的反向恢復(fù)電流會(huì)產(chǎn)生尖峰造成電磁干擾。開關(guān)電源的電磁干擾主要來自以下兩個(gè)方面：

圖1 反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾路徑模型

（1）開關(guān)電源主要由變壓器和開關(guān)管組成，即圖1中的變壓器T和開關(guān)管PM。變壓器在開關(guān)管PM導(dǎo)通、關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生尖峰脈沖，脈沖的頻帶寬，諧波豐富。這是由于在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，會(huì)有很大的浪涌電流產(chǎn)生在變壓器的一次側(cè)線圈，形成浪涌尖峰電壓造成干擾；在開關(guān)管截止瞬間，由于一次側(cè)線圈產(chǎn)生漏磁通，使能量不完全傳輸?shù)蕉蝹?cè)線圈，因而產(chǎn)生反向電勢(shì)疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，同時(shí)，開關(guān)電源中的電壓中斷還會(huì)造成電流瞬變對(duì)變壓器一次側(cè)線圈產(chǎn)生影響，讓電磁干擾返回到配電系統(tǒng)中，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行造成影響。

（2）開關(guān)電源的整流電路如圖1中的VD1～VD4。當(dāng)輸出整流二極管截止時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電流，硬恢復(fù)特性二極管是能將反向電流迅速恢復(fù)到零的二極管，此二極管在變壓器產(chǎn)生漏感和其他分布參數(shù)的干擾下會(huì)造成很強(qiáng)的高頻干擾（幾十兆）。當(dāng)開關(guān)電源中的整流二極管正向?qū)ǖ臅r(shí)候會(huì)流過較大的正向電流，當(dāng)其反向截止的時(shí)候，電流會(huì)反向流動(dòng)，這是由于PN結(jié)中會(huì)有很多載流子積累，在載流子消失之前，其反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化（di/dt）。

1.2 反激式開關(guān)電源關(guān)鍵元器件的高頻模型

開關(guān)電源中的元器件在低頻段的時(shí)候可以用電路網(wǎng)絡(luò)來描述其耦合通道，但是隨著研究的頻帶越來越寬，元器件的雜散參數(shù)對(duì)耦合的通道性能影響很大，電磁干擾的通道中會(huì)產(chǎn)生分布電容，各元器件的頻率特性也發(fā)生了相當(dāng)大的變化。因此在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的時(shí)候要充分考慮各元器件的高頻工作特性。

1.2.1 MOSFET的高頻模型

圖2所示為MOSFET在PSPICE中的等效模型［8］。其中RG為門極電阻，DR為漏極電阻，RB為源極電阻，Cgd為柵極－源電容，Cgs為漏－源電容。

圖2 MOSFET的高頻模型

MOSFET作為開關(guān)器件，工作時(shí)由于開關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間、輸出級(jí)的大電流、開關(guān)整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間等，會(huì)造成電路回路的瞬間短路，從而產(chǎn)生很大的短路電流。該MOSFET電路模型考慮了場(chǎng)效應(yīng)管的直流特性，電荷存儲(chǔ)效應(yīng)以及并聯(lián)二極管。本文將以此模型為依據(jù)進(jìn)行反激式開關(guān)電源建模，并進(jìn)行原理圖級(jí)的仿真，得到原理上的一些改進(jìn)措施建議。

1.2.2 變壓器的高頻模型

圖3所示為變壓器的高頻仿真模型。LP為初級(jí)線圈的泄露電感，TX為理想線性變壓器。變壓器的寄生元件是繞組電容C，開關(guān)電源中變壓器主要由一個(gè)理想變壓器、耦合電容、漏電感及繞線電阻組成，功能是完成電壓的變換、電氣隔離和能量存儲(chǔ)。變壓器在工作時(shí)如果電容濾波的容量不足或者是高頻特性不好，電容高頻阻抗會(huì)使電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源形成傳導(dǎo)干擾。變壓器性能的一個(gè)重要參數(shù)就是漏電感。MOSFET從導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止時(shí)，變壓器中的漏電感LP會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疊加在關(guān)斷電壓上的反電勢(shì)造成開關(guān)電壓尖峰，漏電感和電路中的寄生電容會(huì)形成一個(gè)諧振電路，當(dāng)連續(xù)脈沖電流通過變壓器時(shí)將產(chǎn)生振蕩，形成傳導(dǎo)干擾。

圖3 變壓器仿真模型

變壓器的仿真模型建立是個(gè)很復(fù)雜的過程，本次仿真中利用了線性變壓器，再串聯(lián)電感和電阻模擬實(shí)際變壓器的漏電感和繞線電阻。

2 抑制開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的措施

反激式開關(guān)電源中，常用的抑制傳導(dǎo)措施有如下幾種：

（1）根據(jù)差模干擾的原理，在整流后加π型濾波器［6，7］、輸入級(jí)加X電容。如圖4所示的 Cx1和 Cx2其取值范圍為0.1～1μF。

圖4 π型濾波電路

圖4π型濾波電路中的Ldm為一個(gè)高阻抗的大電感，串聯(lián)在電路中，之所以使用此類型電感是因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓電源頻率諧波噪聲源阻抗為低阻抗。電網(wǎng)中零線與火線相連為低阻抗，所以輸入端的濾波器也是串聯(lián)大電感Ldm。在濾波器輸入端口并接電容Cx1可以進(jìn)一步地抑制差模噪聲，其阻抗要求遠(yuǎn)低于諧振頻率ω0C0，即?ωC。開關(guān)電源中的諧波噪聲源阻抗00為高阻抗，因此濾波器中的輸入端應(yīng)接入一個(gè)大電容Cx2，該電容為低阻抗型，也要求?ωC，其完整電00路如圖4所示。

（2）根據(jù)共模干擾的原理：輸入級(jí)加共模扼流圈、Y電容、前后級(jí)跨電容。如圖5所示，由于變壓器T的諧振、開關(guān)管PM中MOS管的振蕩，造成諧波的成分非常復(fù)雜，在當(dāng)前的工程實(shí)例中，通常會(huì)抑制30 MHz以下頻率噪聲。然而電網(wǎng)中含有大量的電流諧波分量，其脈沖型的電流波會(huì)讓電源的輸入功率因數(shù)降到很低。針對(duì)此現(xiàn)象工程上通常會(huì)使用一個(gè)扼流圈Lom，將其接入到電網(wǎng)和整流橋之間，通過此方法來抑制其高次諧波，達(dá)到很好地抑制效果。共模扼流圈的結(jié)構(gòu)是由一個(gè)磁環(huán)的上下兩個(gè)半環(huán)分別繞匝數(shù)相同方向相反的線圈構(gòu)成，當(dāng)共模干擾出現(xiàn)的時(shí)候，其總電感值會(huì)迅速增大從而會(huì)形成很大的感抗來抑制共模干擾。圖5中共模扼流圈Lom的等效電感為L(zhǎng)，與Cb組成低通濾波器。Cb容量范圍為2 200 pF～0.033μF，電阻R的作用是消除在濾波器中可能會(huì)出現(xiàn)的靜電積累。輸入端為電源端，電網(wǎng)作為輸出端。

圖5 共模干擾濾波電路

其傳遞函數(shù)為

幅值為

相位為

截止頻率為

在低頻段

在高頻段

可見ω0以上的高次諧波都能通過濾波電路濾除，達(dá)到很好的濾波效果。而在開關(guān)穩(wěn)壓電源中，扼流圈L在工作時(shí)會(huì)呈現(xiàn)比較低的阻抗，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)頻率中的差模電流呈現(xiàn)低阻抗的效果也很明顯，因此其對(duì)電網(wǎng)的壓降會(huì)很低；但對(duì)電源會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻的共模噪聲，其等效阻抗較高。因此可以選擇合理的插入損耗，從而使抑制共模干擾的效果達(dá)到最佳。

3 仿真結(jié)果

本文以一個(gè)100～400 VDC輸入，5 V/4 A輸出，工作于80 kHz下的反激式開關(guān)電源為例進(jìn)行研究。并以UC3842為關(guān)鍵的PWM控制器，PCB平面式變壓器為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵變換器件。其中變壓器關(guān)鍵參數(shù)為：

輸入電壓：100～400 VDC；輸出：5 V/4 A；工作頻率：80 kHz；初級(jí)線圈匝數(shù)：54，直流銅阻4Ω；次級(jí)線圈匝數(shù)：4，線厚70μm，直流銅阻60 mΩ；變壓器型號(hào)：FEE18，氣隙：0.9 mm。其原理圖如圖6。由此得到簡(jiǎn)化原理圖如圖7。

由于采用原始的PWM控制器仿真，需要時(shí)間過長(zhǎng)。而對(duì)于固定輸入和固定負(fù)載情況下，控制器只工作于某一對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)，而不會(huì)頻繁調(diào)整于整個(gè)工作點(diǎn)范圍。故本處采用簡(jiǎn)化的模型來代替某個(gè)工作點(diǎn)，并對(duì)此進(jìn)行仿真分析，查看其工作情況，提高仿真速率。

（1）對(duì)于抑制差模干擾，采用整流后加π型濾波器、輸入級(jí)加X電容的措施，仿真效果如圖8。

圖8是加π型濾器與不加時(shí)的頻譜圖?？梢钥吹剑诘皖l階段，相差不大，但是越往高頻，加濾波器的效果越好。所以，在整流后加入有效的π型濾波器，對(duì)于抑制傳導(dǎo)干擾，也是一種有效的措施。

（2）對(duì)于抑制共模干擾，采用輸入級(jí)加共模扼流圈、Y電容、前后級(jí)跨電容。采用加共模扼流圈的仿真圖如圖9。

圖6 開關(guān)電源的原理圖

圖7 開關(guān)電源簡(jiǎn)化理圖

圖8 抑制差模干擾仿真圖

圖9 抑制共模干擾仿真圖

從圖9來看，參數(shù)不是很理想，效果不是很明顯，但在放大的頻譜圖中，還是可以看到加入扼流圈后，頻譜會(huì)低一些。而在實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)措施的效果還是比較顯著。共模扼流圈應(yīng)選用磁導(dǎo)率高、高頻性能好的磁芯。采用輸入級(jí)加Y電容和π型濾波器效果仿真圖如圖10。

圖10 加入Y電容與不加對(duì)比圖

圖10中，虛線為不加Y電容，實(shí)線為圖8中加入4.7μF的Y電容效果。可以看到，加入4.7μF的Y電容后，效果非常明顯。當(dāng)然，由于實(shí)際的電容與理想電容還是有較大區(qū)別，因此，實(shí)際中不可能濾波效果如此好。但總的濾波趨勢(shì)是這樣的。

采用加入前后級(jí)跨電容的仿真圖如圖11。

圖11中，分別表示圖8中加入前后級(jí)地間跨入1μF的Y電容和不跨Y電容時(shí)的頻譜效果。可以看到圖8中電路前后級(jí)跨入Y電容后，幅度整體下降了一個(gè)量級(jí)。低頻高頻都有不同程度的降低。

圖11 前后級(jí)間跨接電容與不加對(duì)比圖

4 結(jié) 論

本文研究了基于反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的抑制，包括對(duì)差模和共模干擾具體元器件對(duì)干擾抑制的效果進(jìn)行了仿真研究。包括π濾波器，輸入x電容，共模扼流圈等。結(jié)果表明，上述技術(shù)明顯提高了開關(guān)穩(wěn)壓電源的抗干擾性能，使電磁干擾的抑制技術(shù)得到進(jìn)一步優(yōu)化。將傳導(dǎo)干擾抑制在標(biāo)準(zhǔn)限制范圍的改進(jìn)措施，整改后可讓傳導(dǎo)干擾強(qiáng)度從100μV降到200 nV并通過認(rèn)證。在實(shí)際工程中應(yīng)該全面考慮開關(guān)電源的各種電磁干擾，選用多種抑制電磁干擾的方法加以綜合利用，使電磁干擾降到最低，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。本文只是給出了反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾抑制一些辦法及分析手段，與實(shí)際產(chǎn)品還有一定差別。其中一個(gè)重要的因素，就是仿真分析的準(zhǔn)確度，受限于模型的精度。精確的模型建立，需要以精確的實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)。這是實(shí)際工作中，需要特別注意的地方。

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