電子安全系統(tǒng)升壓電路的傳導(dǎo)電磁干擾建模方法

汪永斌,鄭 松,康興國(guó)

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

由于電子安全系統(tǒng)在升壓過(guò)程中變壓器輸入回路開(kāi)關(guān)的連續(xù)高速導(dǎo)通與截止,在導(dǎo)通與截止的瞬間,升壓電路內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生非常大的電流變化,從而產(chǎn)生瞬時(shí)電流脈沖。當(dāng)電路處于高頻,電子安全系統(tǒng)的升壓電路包含大量存在寄生參數(shù)的器件,瞬時(shí)電流脈沖作用在器件上時(shí),會(huì)形成經(jīng)過(guò)線路傳導(dǎo)和輻射的電磁干擾[1]。為了保證引信電子安全系統(tǒng)能夠在升壓過(guò)程中避免電磁干擾,必須深入分析電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和傳導(dǎo)路徑。

目前,對(duì)于電子安全系統(tǒng)電磁干擾開(kāi)展的基礎(chǔ)研究相對(duì)較少,在電子安全系統(tǒng)電磁特性研究方面,文獻(xiàn)[2]在引信全電子安全系統(tǒng)研究過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)由于高頻變壓器的使用使得電路中產(chǎn)生脈沖電磁干擾,提出采用MOSFET隔離驅(qū)動(dòng)、新型變壓器和電源隔離的方法來(lái)減小全電子安全系統(tǒng)電路脈沖電磁干擾,提高引信電磁兼容性。文獻(xiàn)[3]提出了一種電子安全系統(tǒng)強(qiáng)靜電場(chǎng)干擾下的單片機(jī)防護(hù)方法,利用ANSYS軟件根據(jù)實(shí)際脈沖電流流經(jīng)回路進(jìn)行等效建模并仿真,給出在該靜電場(chǎng)中單片機(jī)器件相對(duì)于高壓儲(chǔ)能電容的傾斜角度控制范圍,為電子安全系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和安全性以及進(jìn)一步小型化發(fā)展提供參考。在傳導(dǎo)電磁干擾建模方面,文獻(xiàn)[4]基于開(kāi)關(guān)電源的電磁特性推導(dǎo)出共模傳導(dǎo)電磁模型,分析了電磁干擾的產(chǎn)生原理和傳導(dǎo)路徑。文獻(xiàn)[5]基于Buck電路的傳導(dǎo)特性預(yù)估了電磁干擾噪聲模型,基于模型分析了噪聲源和傳導(dǎo)路徑。綜上分析,國(guó)內(nèi)外對(duì)電子安全系統(tǒng)升壓電路電磁特性研究不深入,對(duì)系統(tǒng)的傳導(dǎo)電磁建模方法的研究幾乎空白,為了解決電磁傳導(dǎo)干擾無(wú)法量化分析的問(wèn)題,提出了一種電子安全系統(tǒng)升壓電路傳導(dǎo)電磁干擾建模和量化分析的方法。

1 升壓電路的組成及傳導(dǎo)干擾原理

1.1 升壓電路的基本結(jié)構(gòu)

本文選擇研究的對(duì)象為典型電子安全系統(tǒng)升壓電路[6],其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電子安全系統(tǒng)升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of boost circuit for electronic safety system

電子安全系統(tǒng)升壓電路主要包含了開(kāi)關(guān)管、二極管、高壓電容、驅(qū)動(dòng)模塊、變壓器、儲(chǔ)能電容和沖擊雷管。在升壓過(guò)程中,首先接通引信電源,在靜態(tài)開(kāi)關(guān)1和2檢測(cè)到正常的發(fā)射信息后啟動(dòng)靜態(tài)開(kāi)關(guān),變壓器開(kāi)始工作,將低壓轉(zhuǎn)化為高壓,整流二極管整流后對(duì)高壓電容器進(jìn)行充電,控制電路隨時(shí)檢測(cè)充電情況,當(dāng)達(dá)到預(yù)定的電壓時(shí),引信處于待發(fā)狀態(tài)。在實(shí)際電子安全系統(tǒng)升壓電路中,變壓器模塊與儲(chǔ)能電容和二極管組成的高壓回路之間通過(guò)線纜連接,該線纜會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)和輻射電磁干擾信號(hào)影響周邊電路正常工作。

1.2 電磁傳導(dǎo)干擾

電磁傳導(dǎo)干擾的類型分為差模傳導(dǎo)干擾和共模傳導(dǎo)干擾[7],在實(shí)際電子安全系統(tǒng)升壓電路中表現(xiàn)為差模電流和共模電流。差模電流是兩根導(dǎo)線分別作為往返線路傳輸?shù)碾娏?共模電流是兩根導(dǎo)線同時(shí)作為去路,而把地作為返回路徑傳輸?shù)碾娏鳌Ｈ鐖D2所示,L為相線,N為零線,差模電流Idm在兩根導(dǎo)線上電流大小相等,方向一進(jìn)一出正好相反,共模電流Icm在兩根導(dǎo)線上電流大小和方向都相同,流過(guò)地的共模電流大小是流過(guò)兩根導(dǎo)線的電流之和[8]。

圖2 升壓電路中的差模電流和共模電流Fig.2 Differential mode and common mode currents in a boost circuit

因此,流經(jīng)導(dǎo)線L和N的電流大小表示式如下:

IL=0.5Icm+Idm,

(1)

IN=0.5Icm-Idm。

(2)

2 升壓電路傳導(dǎo)干擾建模及量化分析

升壓電路中包含大量存在寄生參數(shù)的器件,這些器件對(duì)傳導(dǎo)電磁干擾噪聲的產(chǎn)生有很大關(guān)系,亟需對(duì)升壓電路關(guān)鍵器件的寄生效應(yīng)特性進(jìn)行深入研究。在本文中,寄生效應(yīng)特性即高頻特性,因此,建立升壓電路中電容、二極管和變壓器等各關(guān)鍵器件的高頻等效模型,是研究升壓電路傳導(dǎo)電磁干擾的基礎(chǔ)。

2.1 電容高頻等效電路建模

電子安全系統(tǒng)的電容主要是薄膜電容和電解電容兩種,電容由兩塊極板及其中間的電介質(zhì)構(gòu)成。電容的高頻寄生參數(shù)主要是極板和外部引線產(chǎn)生的寄生電感,導(dǎo)體極板和極板間的電介質(zhì)產(chǎn)生的寄生電容。因此,電容的高頻模型可以用如圖3所示的RLC集總參數(shù)電路拓?fù)淠Ｐ偷刃А?/p>

圖3 電容的等效電路模型拓?fù)銯ig.3 Equivalent circuit topology model of capacitor

根據(jù)RLC電路拓?fù)淠Ｐ碗娙莸淖杩贡磉_(dá)式如下:

(3)

2.2 二極管高頻等效電路建模

整流二極管是一種對(duì)電壓具有整流作用的二極管,采用硅半導(dǎo)體制成,能承受較高的電壓值,可以將交流電轉(zhuǎn)化成直流電,應(yīng)用于電子安全系統(tǒng)的起爆電路中。整流二極管的高頻模型可以用如圖4所示的RLC集總參數(shù)和理想二極管電路拓?fù)淠Ｐ偷刃А?/p>

圖4 二極管的等效電路模型拓?fù)銯ig.4 Equivalent circuit topology model of diode

2.3 變壓器高頻等效電路建模

采用集總參數(shù)建模的方法對(duì)變壓器進(jìn)行建模,將實(shí)際變壓器的激磁阻抗、漏阻抗和分布電容進(jìn)行參數(shù)提取來(lái)建立其高頻模型,進(jìn)而建立變壓器的高頻等效模型。

2.3.1激磁阻抗高頻等效電路建模

在升壓電路的變壓器工作過(guò)程中,變壓器的初級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生激磁電流,激磁阻抗為初級(jí)線圈的電壓除以激磁電流。激磁阻抗高頻模型可以用如圖5所示的RLC集總參數(shù)電路拓?fù)淠Ｐ偷刃А?/p>

圖5 激磁阻抗等效電路模型拓?fù)銯ig.5 Topology model of the equivalent circuit of excitation impedance

根據(jù)RLC電路拓?fù)淠Ｐ图ご抛杩筞M表達(dá)式如下:

(4)

2.3.2漏阻抗高頻等效電路建模

由于升壓電路變壓器的對(duì)稱結(jié)構(gòu),在變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈左右端各有一對(duì)結(jié)構(gòu)相同的漏阻抗高頻等效模型,RLC的參數(shù)由于阻抗分配比例不同存在差異,漏阻抗高頻模型可以用如圖6所示的RLC集總參數(shù)電路拓?fù)淠Ｐ偷刃А?/p>

圖6 漏阻抗等效電路模型拓?fù)銯ig.6 Leakage impedance equivalent circuit model topology

變壓器線圈的漏阻抗ZL表達(dá)式如下:

(5)

2.3.3分布電容高頻等效電路建模

由于升壓電路變壓器的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的,變壓器初級(jí)線圈和次級(jí)線圈上下端各有兩對(duì)結(jié)構(gòu)相同的分布電容高頻等效模型,RLC的參數(shù)由于阻抗分配比例不同存在差異,分布電容的高頻模型可以用如圖7所示的RLC集總參數(shù)電路拓?fù)淠Ｐ偷刃А?/p>

圖7 分布電容等效電路模型拓?fù)銯ig.7 Distributed capacitance equivalent circuit model topology

變壓器線圈的分布電容阻抗ZP的表達(dá)式如下:

(6)

對(duì)變壓器的激磁阻抗、漏阻抗和分布電容進(jìn)行建模,由于變壓器的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的,可以建立如圖8所示的變壓器電路高頻等效模型。

圖8 變壓器等效電路模型拓?fù)銯ig.8 Transformer equivalent circuit model topology

2.4 傳導(dǎo)干擾量化分析

對(duì)電子安全系統(tǒng)升壓電路關(guān)鍵器件的高頻等效電路建模,可以構(gòu)建如圖9所示的電子安全系統(tǒng)升壓電路高頻模型?；谀Ｐ涂梢陨钊敕治鲭娮影踩到y(tǒng)升壓電路電磁干擾的產(chǎn)生機(jī)理和傳導(dǎo)路徑。

圖9 電子安全系統(tǒng)升壓電路高頻等效模型Fig.9 High-frequency equivalent model of the boost circuit of the electronic safety system

電子安全系統(tǒng)升壓過(guò)程中需要變壓器輸入回路開(kāi)關(guān)連續(xù)高速導(dǎo)通與截止,在導(dǎo)通與截止的瞬間,會(huì)產(chǎn)生差模電流和共模電流。共模電流的傳導(dǎo)路徑如圖9中虛線所示,當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí),由于升壓電路變壓器存在寄生參數(shù),共模電流會(huì)通過(guò)初級(jí)線圈傳輸?shù)酱渭?jí)線圈上,其中一部分共模電流流經(jīng)負(fù)載回到電源負(fù)端。同時(shí)一部分共模電流也會(huì)流經(jīng)開(kāi)關(guān)管的漏極、初次級(jí)線圈和儲(chǔ)能電容與參考地之間的寄生電容回到電源負(fù)端。

差模電流的傳導(dǎo)路徑如圖9中實(shí)線所示,當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),初級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生較大幅度和變化率的電流,由于電源的輸入電容并非理想的,當(dāng)電流與存在著寄生參數(shù)的器件相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻電壓波紋,此時(shí)差模電流的噪聲源相當(dāng)于電壓源。其中大部分電流沿著升壓電路的負(fù)載端回路流動(dòng),同時(shí)也有部分差模電流沿著初級(jí)線圈一側(cè)回到電源端。

3 仿真建模與測(cè)試驗(yàn)證

3.1 電路器件模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的正確性,在實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證中,采用網(wǎng)絡(luò)矢量阻抗分析儀(VNA)作為實(shí)測(cè)工具對(duì)電子安全系統(tǒng)升壓電路的建模器件進(jìn)行阻抗測(cè)量,獲得器件的阻抗-頻率關(guān)系曲線,并采用ADS軟件選擇合適的等效電路對(duì)阻抗-頻率曲線進(jìn)行擬合,獲得器件的高頻等效RLC電路參數(shù)。

3.1.1電容模型的驗(yàn)證

阻抗分析儀的測(cè)量夾具接在電容的兩端得到電容的阻抗曲線,采用建立的電容等效電路模型對(duì)阻抗曲線進(jìn)行擬合,獲得電容的高頻等效電路參數(shù)值如表1所示。對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)的電容阻抗如圖10所示,建立的電容模型可以真實(shí)反應(yīng)電容的高頻特性。

表1 電容高頻等效電路模型參數(shù)值Tab.1 Parameter values of capacitor high-frequency equivalent circuit model

圖10 電容阻抗測(cè)試與建模對(duì)比圖Fig.10 Comparison of capacitor test and model

3.1.2二極管模型的驗(yàn)證

將二極管處于關(guān)斷狀態(tài),阻抗分析儀的測(cè)量夾具接在二極管的兩端得到二極管的阻抗曲線。采用建立的二極管等效電路模型對(duì)阻抗曲線進(jìn)行擬合,獲得二極管的高頻等效電路參數(shù)值如表2所示。對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)的二極管阻抗如圖11所示,阻抗大小基本相同,可以反映二極管的高頻特性。

表2 二極管高頻等效電路模型參數(shù)值Tab.2 Diode high frequency equivalent circuit model parameter values

圖11 二極管阻抗測(cè)試與建模對(duì)比圖Fig.11 Comparison of diode test and model

3.1.3變壓器模型的驗(yàn)證

選用電子安全系統(tǒng)中常見(jiàn)的一種變壓器(型號(hào):SDB0915A)進(jìn)行驗(yàn)證分析,阻抗分析儀的測(cè)量夾具分別接在變壓器的不同端得到激磁阻抗、漏阻抗和分布電容的阻抗曲線,并選擇合適的等效電路對(duì)阻抗曲線進(jìn)行擬合,獲得變壓器的高頻等效電路的參數(shù)值,對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)的激磁阻抗、漏阻抗和分布電容阻抗基本相同,可以反映變壓器的高頻特性。

1) 激磁阻抗模型的驗(yàn)證

將變壓器的次級(jí)線圈3和4端開(kāi)路,阻抗分析儀的測(cè)量夾具接初級(jí)線圈1和2端,由于激磁阻抗遠(yuǎn)大于初級(jí)和次級(jí)線圈的漏感,此時(shí)測(cè)量的阻抗為激磁阻抗,采用建立的激磁阻抗等效電路模型對(duì)阻抗曲線進(jìn)行擬合,獲得激磁阻抗的高頻等效電路參數(shù)值如表3所示。激磁阻抗實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比如圖12所示。

表3 激磁阻抗高頻等效電路模型參數(shù)值Tab.3 Parameter values of the high-frequency equivalent circuit model for excitation impedance

圖12 激磁阻抗測(cè)試與建模對(duì)比圖Fig.12 Comparison of excitation impedance test and model

2) 漏阻抗模型的驗(yàn)證

將變壓器1,3,4端短路,阻抗分析儀的測(cè)量夾具接初級(jí)線圈1和2端,測(cè)量的阻抗為初級(jí)線圈漏阻抗的阻抗,將變壓器1,2,3端短路,阻抗分析儀的測(cè)量夾具兩端接3和4端,測(cè)量的阻抗為次級(jí)線圈漏阻抗的阻抗,實(shí)際測(cè)試和建模中,只測(cè)試初級(jí)線圈的阻抗,次級(jí)線圈的阻抗按照變壓器匝數(shù)比分配參數(shù)值,可以獲得如表4所示的漏阻抗模型的參數(shù)值。對(duì)比仿真與實(shí)測(cè)的漏阻抗的參數(shù)值,如圖13所示,阻抗大小基本相同。

表4 漏阻抗高頻等效電路模型參數(shù)值Tab.4 Leakage equivalent high frequency circuit model parameter values

圖13 漏阻抗測(cè)試與建模對(duì)比圖Fig.13 Leakage impedance test vs. model

3) 分布電容的模型驗(yàn)證

將變壓器初級(jí)線圈1,2端,次級(jí)線圈3,4端短接,阻抗分析儀的測(cè)量夾具接1和3端測(cè)量的阻抗為分布電容,采用建立的分布電容等效電路模型對(duì)阻抗曲線進(jìn)行擬合,可以獲得分布電容的高頻等效電路參數(shù)值如表5所示。如圖14所示,分布電容的測(cè)試與建模曲線基本相同,可以反映變壓器在實(shí)際工作過(guò)程中分布電容的高頻特性。

表5 分布電容高頻等效電路模型參數(shù)值Tab.5 Distributed capacitance high frequency equivalent circuit model parameter values

圖14 分布電容測(cè)試與建模對(duì)比Fig.14 Comparison of distributed capacitance testing and model

3.2 升壓電路傳導(dǎo)干擾仿真與測(cè)試

3.2.1傳導(dǎo)干擾噪聲仿真與測(cè)試

基于升壓電路高頻等效電路模型,搭建電子安全系統(tǒng)升壓電路樣機(jī),如圖15所示。

圖15 升壓電路樣機(jī)Fig.15 Physical diagram of the boost circuit

采用基于LISN原理的傳導(dǎo)干擾仿真和測(cè)試方法,當(dāng)電路處于正常工作頻率0.3 MHz以內(nèi)時(shí),采用1 kHz占空比為50%的方波驅(qū)動(dòng)電路工作,對(duì)傳導(dǎo)電磁干擾噪聲進(jìn)行仿真和測(cè)試。

對(duì)比升壓電路傳導(dǎo)干擾噪聲仿真與測(cè)試結(jié)果如圖16所示,電子安全系統(tǒng)升壓電路的高頻等效模型預(yù)測(cè)的傳導(dǎo)干擾噪聲與實(shí)測(cè)基本吻合,可以反映實(shí)際電路的傳導(dǎo)電磁干擾大小趨勢(shì)。由于部分有源器件尚未建模和未考慮電路中的耦合干擾,預(yù)測(cè)的傳導(dǎo)干擾噪聲在部分頻率點(diǎn)與實(shí)際測(cè)試效果存在誤差,這部分問(wèn)題尚待進(jìn)一步解決以提高預(yù)估的準(zhǔn)確率。

圖16 傳導(dǎo)干擾噪聲仿真與測(cè)試對(duì)比Fig.16 Conducted interference noise simulation and test comparison

3.2.2基于Multisim電路的仿真與測(cè)試

采用Multisim電路仿真軟件,基于圖17所示的原理圖,仿真電子安全系統(tǒng)升壓電路模型線纜的傳導(dǎo)干擾電壓,并實(shí)際測(cè)試電子安全系統(tǒng)升壓電路線纜的傳導(dǎo)干擾電壓,仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果如圖18、圖19所示。

圖17 電子安全系統(tǒng)升壓電路測(cè)試原理圖Fig.17 ESS boost circuit test schematic

圖18 升壓電路傳導(dǎo)干擾仿真Fig.18 Conducted interference simulation of a boost circuit

圖19 升壓電路傳導(dǎo)干擾測(cè)試Fig.19 Conducted interference test of a boost circuit

從圖18、圖19可看出,電子安全系統(tǒng)升壓電路在正常工作時(shí),模型仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的線纜傳導(dǎo)干擾電壓幾乎一致,仿真模型的線纜傳導(dǎo)干擾電壓234 V左右,非常接近測(cè)試線纜傳導(dǎo)干擾電壓232 V。因此,升壓電路傳導(dǎo)干擾模型能夠完成升壓功能,并能真實(shí)反映升壓過(guò)程中電路內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾特性,可準(zhǔn)確對(duì)傳導(dǎo)干擾進(jìn)行量化計(jì)算。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)電子安全系統(tǒng)升壓電路的結(jié)構(gòu)和電路中傳導(dǎo)干擾的原理和傳導(dǎo)路徑進(jìn)行分析,基于升壓電路器件的物理結(jié)構(gòu),推導(dǎo)了其高頻模型的表達(dá)式,通過(guò)測(cè)試和計(jì)算獲取了電路中電容、二極管和變壓器等關(guān)鍵器件的參數(shù),建立了對(duì)應(yīng)器件高頻等效電路模型,進(jìn)而建立了升壓電路的傳導(dǎo)干擾模型并開(kāi)展了仿真計(jì)算和測(cè)試驗(yàn)證。試驗(yàn)和仿真結(jié)果表明:傳導(dǎo)干擾模型能夠真實(shí)反映升壓過(guò)程中電路內(nèi)部產(chǎn)生的電磁干擾特性,并可準(zhǔn)確對(duì)傳導(dǎo)干擾進(jìn)行量化計(jì)算。