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开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真

发布时间:2017-04-12 来源:茹东生,姜茂仁,李洪烈 责任编辑:wenwei

【导读】本文根据开关电源在开关快速开关的过程中存在dvΠdt效应和传导性辐射的情况,提出一种开关电源抑制传导性电磁干扰的缓冲电路设计方法。仿真研究证明了这种缓冲电路在抑制传导性电磁干扰的有效性。
 
1 引 言
 
电磁干扰EMI就是电磁兼容不足,是破坏性电磁能从一个电子设备通过辐射或传导传到另一个电子设备的过程。传导性(conducted)EMI是EMI的一种重要形式,它是射频能量通过发射形成传播波,一般通过电线或内部连接电缆,以传播波形式传播。
 
近年来,电子设备的EMI的抑制已成为人们关注的焦点,开关电源是当前市场上一种颇受欢迎的电源,具有体积小,效率高,规格多的优点。在电子产品的研发过程中,开关电源往往被直接利用作为整个电子系统的一部分。然而,由于这种电源高频率的开关动作,将产生大量的传导性电磁干扰(EMI)。这个问题在产品设计阶段如果处理不好,将对开关电源乃至整个电子系统造成不利的影响。开关电源在高频信号的控制下,开关元件高速动作使开关电路存在dvΠdt效应和传导性辐射。
 
2 开关电源产生EMI的根本原因和利用能量存储减小EMI的理论分析
 
在麦克斯韦方程组中,电势差定律为:
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
电流定律为:
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
电势差定律也叫法拉第电磁感应定律,描述的是穿过闭合回路的磁场会产生电流,变化的磁场产生电场。电流定律解释了电路中EMI产生的根本原因——时变电流,时变电流既产生电场,又产生磁场。对电磁兼容来说,这两个定律相互作用,使得电路产生具有射频电流的EMI。
 
为了抑制EMI,在开关电路上增加一个具有存储电荷效应的简单电路——缓冲电路。在缓冲电路中,最重要的部件是电容Css。由于在频率比较高时,导线可以用电阻与电感相串联来等效,电容器要用电容、电阻、电感串联来等效,因此Cs、Ls、Rs串联组成了Css仿真等效电路。其阻抗为:
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
自谐振频率为:
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
当信号频率高于开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真时,串联回路呈感性失谐;当信号频率低于开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真时,串联回路呈容性失谐。能量存储效应是电容在开关高速动作时,起到能量存储的补偿效应。电容能量存储效应公式为:
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
其中ΔI为开关转换电流,ΔV为允许的电压改变,Δt为开关切换时间。其能量补偿原理是:在经历开关快速变化时,对频率比较低的成分,在电压突变时,有更多的电流供给开关元件;对高频成分,电容感性失谐,它决定了向开关元件最初能提供的电流。由于以上能量存储效应,可以将dvΠdt和diΠdt快速变化的能量存储起来,使得缓冲电路具有较强的抑制EMI的功能。
 
3 具有缓冲电路的开关电源组成与工作原理
 
图1为50kHz开关控制电源的组成方框图。其中线性阻抗稳定网络的作用是为了消除在供电电力线内潜在的干扰,包括电力线干扰、电快速瞬变,电涌,电压高低变化和电力线谐波等。这些干扰对对一般稳压电源来说,影响不是很大,但对高频开关电源来说,则影响显著。
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
开关元件一般在电压波形的波峰消耗能量,这样,当外界电压有干扰或变化时,将使开关电源产生较多谐波成分而使波形失真,且EMI会比较严重,影响到开关电源和整个电子设备的安全工作。线性阻抗稳定网络还可以有效抑制供电线内的共模干扰,利用其对称结构和适当的去耦处理和设计来解决。
 
整流滤波电路由一般桥式整流电路和一个大电容组成。高频信号产生与控制电路的作用有两个,一个是产生触发开关元件通断的高频矩形脉冲,这些矩形脉冲的占空比决定了输出直流电压的高低;另一个是稳压反馈作用,即从输出端取样的电压经过与整流,与基准直流电压比较后形成误差电压,该电压经过放大控制高频信号产生电路中高频信号的
占空比,从而达到稳定输出电压的目的。
 
场效应管开关主电路为开关电源的核心电路,也是产生EMI的主要电路。因此,在场效应管开关传统主电路的基础上,设计增加一个缓冲电路来抑制EMI。在这部分电路设计时,要着重注意共模电流和串扰的影响。共模辐射是由于电路设计之处的电压降造成的,这种电压降致使电路的一些接地部分的电压比真实的参考地电压高,这样受影响的接地系统相连的电缆或器件就成了天线,在空中辐射共模电磁能,并通过电缆或导线感应来传播。差模辐射很容易利用电路的设计来减弱,但共模辐射相当难解决,通常利用灵敏接地来解决。
 
4 具有缓冲电路开关主电路设计与仿真
 
图2为开关主电路仿真电路。缓冲电路的仿真参数设置为:仿真区间0~30ms,跌代步长0101μs,开关控制信号50kHz。缓冲电路器件参数为D1—MUR460,R2—500,Cs—5nF,Ls—34nH,Rs—0115。
 
在图2中,为了便于仿真,将Css等效成Cs、Ls、Rs串联的形式,由于器件连接结构的原因,由场效应开关管M1的漏极通过C2接机壳来等效M1。仿真电路中缓冲电路由R2、D1、Cs、Ls、Rs组成,M1在高频信号产生与控制电路Vs信号的作用下,完成高速开关动作,并经L和C3和滤波,在负载RL上得到直流电压。
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
为了将有缓冲电路和没有缓冲电路的开关电路EMI进行对比,分别对其进行仿真分析。图3为带有缓冲电路开关元件电压电流和功率波形,从功率波形上可以发现开关器件仍然存在小幅射频振荡。为了有利于观察有缓冲电路和没有缓冲电路的开关电路产生射频振荡的情况,将二者的电压电流功率波形进行放大,得到图4有缓冲电路开关元件电压电流和功率放大波形和图5没有缓冲电路开关元件电压电流和功率放大波形。
 
从图4和图5中可以看出,两种电路都有一些射频振荡,这些振荡会带来EMI辐射,并对系统的性能产生不利影响。仔细观察不难发现,二者在振荡幅度上差别很大。通过仿真游标读出,有缓冲电路开关电流的振荡幅度最大为41125A,功率振荡幅度最大为6813W;而无缓冲电路开关电流的振荡幅度最大为60A,功率振荡幅度最大约为1kW。后者的最大射频电流比前者大23分贝,最大射频功率比前者大11分贝。
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
开关电源抑制传导性电磁干扰的设计与仿真
 
从以上两种电路仿真结果从幅度上对比可以看出,有缓冲电路的开关电源其dVΠdt、diΠdt效应比无缓冲电路开关电源要小得多,可以得出缓冲电路对EMI的抑制作用明显的结论。
 
5 结 论
 
 
本文提出了一种利用简单的电路——缓冲电路来抑制开关电源传导性辐射的方法。利用PSPICE仿真模型验证比较了有无缓冲电路时的开关元件辐射EMI的电压、电流和功率,指出它们存在射频振荡的大小。在仿真过程中,发现Css的参数对抑制EMI的作用比较敏感。所以,实际电路设计与生产时,对Css要仔细挑选,使的其参数符合要求。
 
参考文献
 
[1] Markl.Montrose著,刘元安,译.电磁兼容和印制电路板理论、设计和布线[M].北京:人民邮电出版社,2002,121
 
[2] C.U-Yaisom,W.kan-ngern and S.Nitta;The Self-Resonant Fre-quency Effect of the Conducted EMI Suppressionon Power MOSFET Using Snubber Circuit;IC EMC 2002/Bangkok.
 
[3] 孙继业,赵亦工.高速数字系统印刷电路板的设计要点[J].电子工程师,2002,121
 
 
 
 
 
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