反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾建模仿真分析

陳治通，李建雄，崔旭升，楊慶新，牛萍娟

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387）

反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾建模仿真分析

陳治通1，李建雄1，崔旭升1，楊慶新2，牛萍娟2

（1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387）

提出一種可靠的方法仿真和預(yù)測開關(guān)電源的傳導(dǎo)電磁干擾。采用器件建模與印制電路板(PCB)建模相結(jié)合的方式，構(gòu)建器件和PCB的高頻等效電路模型。以此為基礎(chǔ)建立完善的開關(guān)電源電路傳導(dǎo)干擾模型。仿真開關(guān)電源電路工作時各點電壓電流波形并據(jù)此分析開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾問題。參照電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，對開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾強度進行評估。為開關(guān)電源的設(shè)計和器件選擇提供幫助。

開關(guān)電源；傳導(dǎo)干擾；器件建模；印制電路板建模

開關(guān)電源以其體積小、質(zhì)量輕、效率高、可靠性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子設(shè)備中。開關(guān)電源利用半導(dǎo)體的開關(guān)特性，通過高頻脈沖信號控制功率開關(guān)管的通斷時間，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定的直流功率輸入。由于其高功率密度和高頻快速電路通斷的特點，工作過程中會產(chǎn)生較大的電壓和電流的瞬變，進而產(chǎn)生較強的電磁干擾。所產(chǎn)生的電磁干擾會通過電路和電路間的耦合以傳導(dǎo)的方式傳遞給負(fù)載，同時通過線纜將電磁干擾注入電網(wǎng)，對電網(wǎng)中其它設(shè)備造成損害。開關(guān)電源朝著高功率密度、高頻率方向快速發(fā)展，它所產(chǎn)生的電磁干擾問題也日益嚴(yán)重。國內(nèi)外電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)強制執(zhí)行，使得開關(guān)電源的電磁兼容問題成為限制開關(guān)電源使用的關(guān)鍵問題，傳統(tǒng)的解決方法一般采用實驗糾錯的電磁兼容設(shè)計方法，從而導(dǎo)致研發(fā)成本增加，產(chǎn)品設(shè)計周期延長。因此，構(gòu)建準(zhǔn)確的開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾模型，據(jù)此預(yù)測評估開關(guān)電源的傳導(dǎo)電磁干擾，是解決其電磁兼容問題的重要環(huán)節(jié)[1]。

本文以反激式開關(guān)電源為具體研究對象，分析并確定電路中主要器件的寄生參數(shù)，構(gòu)建功率開關(guān)管、二極管、變壓器、電感、電容、電阻等器件的高頻等效電路模型[2]。同時利用部分元等效電路(PEEC)方法提取印制電路板(PCB)上走線、介質(zhì)材料及過孔引起的雜散參數(shù)，構(gòu)建PCB的高頻等效電路模型。采用上述模型搭建仿真實驗電路，仿真電路中各點的電流電壓波形，分析仿真結(jié)果確定開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾發(fā)射機理及其傳播路徑[3]。同時對關(guān)鍵節(jié)點電壓波形進行快速傅里葉變換(FFT)獲取頻譜數(shù)據(jù)，由此評估傳導(dǎo)干擾強度，分析傳導(dǎo)干擾主要集中的頻率及干擾的特點。此模型能有效地模擬真實工作狀態(tài)下反激式開關(guān)電源的傳導(dǎo)電磁干擾。

1 反激式開關(guān)電源基本工作原理

為了真實有效地模擬反激式開關(guān)電源的正常工作狀態(tài)，必須以一個硬件電路作為具體研究對象，同時為了保證本模型的普遍適用性，必須選取典型的電路結(jié)構(gòu)作為提取仿真模型的基礎(chǔ)。本文以一款通用型反激式開關(guān)電源的主工作電路作為基本研究對象，其基本工作原理如圖1所示。此電源由交流整流電路和反激式開關(guān)功率轉(zhuǎn)換電路組成。整流電路由4個二極管組成的整流橋及電容C1構(gòu)成，功率轉(zhuǎn)換電路由功率開關(guān)管M 1、二極管D1、高頻變壓器T1、儲能電容C2、負(fù)載電阻RL等組成。一個工作周期由兩個工作狀態(tài)組成。

圖1 反激式開關(guān)電源的基本工作原理

功率開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)：控制電路輸出矩形脈沖處于高電平狀態(tài)時，功率開關(guān)管M 1導(dǎo)通，快速恢復(fù)二極管D1截止，電流流過高頻變壓器T1初級線圈，能量以磁能形式存儲于變壓器初級線圈。

功率開關(guān)管截止?fàn)顟B(tài)：控制電路輸出脈沖處于低電平狀態(tài)時，功率開關(guān)管M 1截止，二極管D1導(dǎo)通，次級回路導(dǎo)通，儲能通過變壓器T1次級線圈輸出能量，并通過穩(wěn)壓穩(wěn)流電路平穩(wěn)輸出直流電供給負(fù)載。控制電路輸出為100 kHz近似矩形脈沖的周期波形，脈沖的上升沿和下降沿會導(dǎo)致功率開關(guān)管和二極管快速通斷，進而產(chǎn)生較大的

2 器件及PCB高頻模型

反激式開關(guān)電源主電路主要由功率開關(guān)管、二極管、變壓器、電阻、電容和電感組成。這些器件由于制造工藝及材料本身特性所限，無法以理想器件狀態(tài)工作。器件存在的寄生參數(shù)在電路工作時將影響器件的頻率特性，因此在對開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾進行建模和仿真分析時，必須構(gòu)建包含寄生參數(shù)的器件高頻電路模型[5]。對于其中如變壓器、電阻、電容和電感等無源器件，本文采用阻抗分析儀測量結(jié)合高頻等效電路模型擬合的方法，確定寄生參數(shù)數(shù)值。

2.1 無源器件高頻模型

2.1.1 電阻高頻電路模型

電阻正常工作時，存在非線性效應(yīng)，此效應(yīng)源于電阻中存在的寄生電感和電容。其高頻等效電路模型如圖2(a)所示，其中串聯(lián)等效電感()為電阻內(nèi)部繞線和外部引線電感，為漏電容，為其低頻時的電阻值。

2.1.2 電感高頻電路模型

2.1.3 電容高頻電路模型

電容在其自諧振頻率以下呈電容性，高于該頻率出現(xiàn)電感性，特別是用于開關(guān)電源的電解電容，具有較大的串聯(lián)等效電感和串聯(lián)等效電阻，其高頻等效電路模型如圖2 (c)所示。

圖2 電阻、電感、電容高頻等效電路模型

2.1.4 變壓器高頻等效模型

高頻變壓器是開關(guān)電源中實現(xiàn)功率變換的重要器件，初級回路產(chǎn)生的干擾通過變壓器的寄生電容等以傳導(dǎo)的方式傳遞給次級回路，因此高頻變壓器的模型必須包含這些可以傳導(dǎo)電磁干擾的寄生參數(shù)[6]。反激式開關(guān)電源變壓器等效電路模型由漏感、分布電容、繞線電阻、勵磁電感和理想變壓器構(gòu)成。本文采用CadenceMagnetic Parts Editor計算上述參數(shù)，搭建電路模型如圖3。

圖3 變壓器高頻等效電路模型

此模型包含勵磁電感Lp，初級繞組寄生電容C1，初級漏感L1，初級損耗電阻R1，次級繞組寄生電容C2，次級漏感L2，次級損耗電阻R2，磁芯損耗電阻Rc，初級與次級間耦合電容Ci1和Ci2，理想變壓器T。

2.2 有源器件高頻等效模型

開關(guān)電源一般選用金屬氧化層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為功率開關(guān)管，MOSFET在開關(guān)過程中，存在較高的電壓變化率d/d 和電流變化率d/d ，會造成脈沖信號畸變，引起振蕩和過電壓[3]。這是由于MOSFET本身結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致器件存在漏、柵、源極間寄生電容和寄生電阻造成的。MOSFET的高頻模型必須精確表示、、、、等參數(shù)，極間的非線性電容和等會產(chǎn)生電荷存儲效應(yīng)，使得驅(qū)動MOSFET的開關(guān)波形發(fā)生變化，引起傳導(dǎo)電磁干擾。本文MOSFET模型采用工作曲線描點的方法，利用器件工作特性曲線計算出MOSFET的、、、、等參數(shù)，通過Pspice Model Editor構(gòu)建MOSFET的Spice電路模型。模型文件如下：

2.2.1 功率開關(guān)管模型

2.2.2 功率二極管模型

開關(guān)電源所采用的功率二極管為快速恢復(fù)二極管，但其通斷并不是瞬間完成，通斷過程存在一定的反向恢復(fù)時間，在此時間內(nèi)電壓電流急劇變化，進而引起較大的電磁干擾。反向恢復(fù)是由二極管內(nèi)部的PN結(jié)電容和寄生電阻造成的。二極管高頻模型采用和MOSFET相類似的工作曲線描點的方法構(gòu)建。其Spice模型參數(shù)如下：

2.3 PCB高頻等效電路模型

PCB導(dǎo)線分布參數(shù)的提取通常采用傳輸線等效的方法，將導(dǎo)線等效成為微帶結(jié)構(gòu)模型，依靠其結(jié)構(gòu)尺寸和介質(zhì)材料的介電常數(shù)進行等效分析和建模，此類方法一般只計算線對地的寄生電感和電容，忽略了PCB線間的寄生耦合和走線彎曲及開路不連續(xù)，同時計算時需要無限大的地平面作為參考，與實際工作中的開關(guān)電源PCB結(jié)構(gòu)存在較大區(qū)別，使用該方法得到的PCB高頻模型不能準(zhǔn)確表示開關(guān)電源PCB的寄生電感和電感，因此不適合復(fù)雜的PCB電磁干擾(EM I)建模和仿真分析。本文采用CSTPCB STUDIO軟件對PCB的寄生參數(shù)進行提取，利用3D準(zhǔn)靜態(tài)的部分元等效電路算法將PCB三維模型結(jié)構(gòu)劃分為較小的導(dǎo)體段、導(dǎo)體區(qū)域和介質(zhì)區(qū)域。導(dǎo)體段間的磁耦合通過感性元件耦合計算，導(dǎo)體面域間的電耦合通過考慮介質(zhì)存在的電容耦合計算，將電磁場問題轉(zhuǎn)換為電路網(wǎng)絡(luò)模型。把圖4(a)所示的開關(guān)電源電路PCB版圖文件導(dǎo)入CST PCB STUDIO，對圖中所示的走線、焊盤、過孔、器件、介質(zhì)材料等參數(shù)進行設(shè)定，選取工作電路網(wǎng)絡(luò)，確定網(wǎng)格剖分方式，計算PCB各區(qū)域內(nèi)的寄生參數(shù)，生成由PCB寄生電容、電阻、電感構(gòu)成的電路網(wǎng)絡(luò)，即為PCB高頻等效電路模型，如圖4(b)所示，此等效電路模型中各個引腳對應(yīng)PCB版圖中各器件的引腳，PCB版圖中各器件的連接均可等效為器件模型與PCB等效電路模型引腳的連接。

圖4 PCB版圖及高頻等效電路模型

3 開關(guān)電源電路傳導(dǎo)干擾仿真與分析

在對開關(guān)電源器件和PCB等效電路模型分析和構(gòu)建的基礎(chǔ)上，利用CSTDESIGN STUDIO仿真平臺搭建完整的反激式開關(guān)電源高頻等效電路模型，對開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾進行仿真分析。此電源輸入為220 V交流市電，輸出為42 V，330mA直流，開關(guān)頻率為100 kHz，進行瞬態(tài)仿真，仿真整個開關(guān)電源電路在工作狀態(tài)下各節(jié)點在每一時刻的電流和電壓波形，整體電路如圖5所示。

圖5 反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾仿真電路

首先對原邊回路進行分析，提取功率開關(guān)管M 1中漏極（引腳3）電壓波形。對比柵極（引腳4）輸入控制信號的波形[圖6(a)]，漏極電壓波形受電路中寄生參數(shù)影響發(fā)生變化，如圖6(b)。

對漏極電壓信號進行FFT提取頻譜信息，參考電氣照明電磁兼容國家標(biāo)準(zhǔn)GB17743-2007（等同于CISPR15：2005）傳導(dǎo)騷擾電壓9 kHz～30MHz的限值，在9 kHz～25MHz頻率范圍內(nèi)傳導(dǎo)輻射均超出國家標(biāo)準(zhǔn)的限值[圖7(a)]。同時對頻譜圖局部放大后發(fā)現(xiàn)，以100 kHz為基波的各次諧波有較大騷擾電壓值[圖7(b)]，證明MOSFET的通斷是開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾的重要來源。

圖6 MOSFET柵極、漏極電壓波形

圖7 漏極電壓頻譜及局部放大

提取次級回路中功率二極管D1的電壓波形，并對波形進行FFT變換獲取頻譜，如圖8所示。從圖8中可以發(fā)現(xiàn)二極管為較強的傳導(dǎo)干擾源，在15MHz以內(nèi)傳導(dǎo)干擾超過標(biāo)準(zhǔn)限值。

傳導(dǎo)電磁干擾傳播路徑分析：對開關(guān)電路中電源輸入節(jié)點、整流橋輸出節(jié)點、高頻變壓器輸入輸出節(jié)點、次級穩(wěn)壓節(jié)點及電源輸出節(jié)點等關(guān)鍵節(jié)點電壓波形進行頻譜分析。限于篇幅本文只列出電源輸出電壓的頻譜(圖9)，根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點的電壓頻譜確定各節(jié)點傳導(dǎo)干擾大小及類型，由此構(gòu)建開關(guān)電源傳導(dǎo)電磁干擾路徑，其中功率開關(guān)管M 1和功率二極管D1為主要傳導(dǎo)干擾源，如圖10所示。

圖8 二極管電壓波形FFT

圖9 輸出端電壓頻譜

圖10 傳導(dǎo)干擾傳導(dǎo)路徑

4 結(jié)論

開關(guān)電源的傳導(dǎo)電磁干擾是開關(guān)電源電磁兼容的重要問題，而建立開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾仿真分析模型是解決此問題的關(guān)鍵。本文從典型的反激式開關(guān)電源出發(fā)，提取了器件和PCB的高頻等效電路模型參數(shù)，構(gòu)建完善的開關(guān)電路仿真分析模型，仿真分析出開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾主要干擾源及干擾傳播路徑，并參照電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)評估了傳導(dǎo)干擾的強度。

[1]孟進,馬偉明,張磊,等.開關(guān)電源變換器傳導(dǎo)干擾分析及建模方法[J].中國電機工程學(xué)報，2005，25(5):49-54.

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Modeling and simulation analysisof flyback sw itched-mode power supply conduction interference

CHEN Zhi-tong1,LIJian-xiong1,CUIXu-sheng1,YANG Qing-xin2,NIU Ping-juan2

A reliable method for simulating and predicting sw itched-mode power supply(SMPS)conduction electromagnetic interference(EMI)was proposed.Utilizing the combination method of device modeling and printed circuit board(PCB)modeling,the high frequency equivalent circuitmodelof devices and the PCB was built.Based on the derived model,the sw itched-mode power supp ly circuit conduction EMImodelwas established and im proved.The sw itched-mode power supply operating each pointvoltage and currentwave forms were simulated to analyze SMPS conduction EMI issue.According to the electromagnetic com patibility(EMC)standards,conduction EMI intensity of the sw itched mode power supp ly was estimated,supplying assistance for the sw itched-mode power supply design and device selection.

sw itched-mode power supp ly;conduction electromagnetic interference;device modeling;printed circuit boardmodeling

TM 64

A

1002-087 X(2014)05-0953-04

2013-10-25

天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計劃重點項目(10JCZDJC15400)

陳治通(1988-)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為電磁兼容。