（电工理论与新技术专业论文）开关电源传导干扰仿真分析.pdf

山东大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e m c sr e s e a r c hh a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r ep e o p l e sa t t e n t i o n t h er e s e a r c hi nt h i sd i s s e r t a t i o ni sm a i n l ya b o u tt h ec o n d u c t e d e m ii ns w i t c h i n gm o d ep o w e r s u i p l l i e sa n dr a d i a t e de l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( e m i ) m e a s u r i n gs y s t e m t h i s p a p e r t a k e s f l y b a c ks w i t c h i n g - m o d ep o w e rs u p p l ya sar e s e a r c ho b j e c t s u m m a r i z e dt h es o u r c eo fi n t e r f e r e n c ea n dt h ec o u p l i n gc h a n n e l t h er e r f o r m a n c eo f r e s i s t a n c ec a p a c i t a n c ea n di n d u c t a n c ea th i g hf r e q u e n c yr a n g ew e r ea n a l y z e di n t h i s p a p e r t h es i m u l a t i o nm o d e l so fr e s i s t a n c ec a p a c i t a n c ei n d u c t a n c et r a n s f o r m e rm o s f e t a n dd i o d ea th i g hf r e q u e n c yr a n g ew e r ee s t a b l i s h e d u s i n gp s p i c es o f t w a r es i m u l a t e s s w i t c h i n g m o d ep o w e rs u p p l yc o n d u c t e di n t e r f e r e n c ep r o d u c t i o na n dc o u p l i n gc h a n n e l a n a l y s i so ft h el e a k a g ei n d u c t a n c e ，c 曲、c 脚、c j d ，a n do t h e rp a r a m e t e r so nt h es i z eo f i n t e r f e r e n c e w h e nt h em o s f e tw a st u r n e d o f f , l e a k a g ei n d u c t a n c e w i l lm a k ea e l e c t r o m o t i v ef o r c ee 一- l 。( d i d t ) ，a n dp e a kv o l t a g e l e a k a g ei n d u c t a n c eg r e a t e rt h e l o n g e rd e c a yt i m e ，t h em o r es e r i o u si n t e r f e r e n c e t h ef i n t o - g r o u n dc a p a c i t a n c eh a sa g r e a ti m p a c to ni n t e r f e r e n c ew h e nv o l t a g ej u m p sc a p a c i t a n c ek e p to nc h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n g t h i s f o r ma v o l t a g e a t t e n u a t i o n a n di n t e r f e r e n c ec u r r e n t w a v e f o r m t r a n s f o r m e rl e a k a g ei n d u c t a n c e ，t h ef i n t o g r o u n dc a p a c i t a n c ea r et h em a i n r e a s o nf o re l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e t h et u m - o na n dt u r n - o f fs w i t c h i n gt i m ea f f e c t e d b yc 弦，c 础h a v eag r e a ti m p a c to ue m ia c c o r d i n gt oi n t e r f e r e n c ec u r r e n t ，t h e c o u p l i n gc h a n n e li sa n a l y s i s e dt h e s ew o r ki su s e f u lt oe m cd e s i g no fs w i t c h i n gp o w e r s u p p l yw i t hag u i d e t h er a d i a t e di n t e r f e r e n c et e s to fe m ci sv e r yi m p o r t a n t t h i s p a p e re m p h a t i c a l l y e l a b o r a t e de m ir a d i a t i o nt e s ts y s t e mb a s e do nt h eg p i bi nt h el a s tc h a p t e r m o d e la n d m e t h o dw e r ea n a l y z e d u s i n gm a t l a bi n s t r u m e n tc o n t r o lt o o l b o x ，t u r n t a b l e ，a n t e n n a h e i g h ta n de m is e t sw e r ec o n t r o l e dt h r o t i g hg p i b t h er a d i a t e de m lw a st e s t e d i n f l u e n c e so ft h r e ef a c t o r s e l e v a t i o n ，a z i m u t ha n df r e q u e n c yo nr a d i a t e de m ir e s u l t sa g e a n a l y z e d 1 v 山东大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，r a d i a t i o n ，t e s te m c ，e m i ，p s p i c cs i m u l a t i o n , 山东大学硕士学位论文 v i 符号说明 电动势 漏电感 导通时间 关断时间 输入电容 输出电容 输入电压 谐振频率 角频率 散热片对地电容 电阻 漏源电压 栅极和漏极之间寄生电容 栅极和源极之间寄生电容 二极管结电容 e k k k“正q r k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鸯必宝l e t期：丛出謦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翟籼导师签名：、霉评日期：沙7 r 锯馏 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电磁兼容的研究意义及发展 1 1 1 电磁兼容及电磁干扰的危害 电磁兼容【m 1 ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c ) 按国家标准g b ，r 4 3 6 5 1 9 9 5 电磁术语的定义：设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何 事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。定义包含了两层意思： 1 、具有抵抗给定的电磁干扰的能力，并且有一定的裕量。 2 、不产生超过限度的电磁干扰。 随着电子技术、计算机技术及电力电子技术的广泛应用，各种电气、电子设备 的电磁干扰问题越来越严重。电气、电子设备产生更多的电磁干扰信号，同时其遭 受电磁干扰的机率大大增加，尤其在航天飞机、普通飞机及舰艇中，大量的电子设 备密集在狭小的空间，相互间的电磁兼容性非常重要，在战斗中由于飞机和军舰上 防御电子系统、进攻电子系统的相互干扰不能同时兼容工作而出现事故的情形屡见 不鲜。因此，电磁兼容越来越重要，它已不局限于广播、通讯领域及军事用途，而 是扩展到工业、民用等各个领域。 此外，人为干扰和自然干扰有可能使系统或设备的性能发生有限度的降级，甚 至可能使系统和设备失灵，干扰严重时会使系统和设备发生故障，例如，由于雷电 和静电放电干扰和其它人为干扰，使火箭、飞船发射后出现计算机故障或系统爆炸 的事故多次发生。各种强电干扰可能引起易挥发燃料、弹药和电爆装置的爆炸。同 时，长期的电磁辐射将影响人体健康。 客观事实使人们认识到电磁干扰的严重危害，为了保障电子系统和设备的正常工 作，必须研究、分析、预测干扰，限制人为干扰强度，研究抑制电磁干扰的有效技 术手段，提高抗干扰能力，并进行合理的设计等，以使共同环境中的系统和设备能 执行各自的正常功能。为了保证电子系统的正常工作，必须进行严格的电磁兼容设 山东大学硕士学位论文 计，它对系统效能有着重大影响，其影响范围如图1 1 所示。由图可见电磁兼容在 产品设计中的重要性，它应贯穿于研制、设计、生产、工艺、试验和使用等阶段。 在产品设计之初就应该考虑电磁兼容问题，否则待产品出来进行测试时才发现问题， 那时再设法解决将花费很高的代价，甚至不能彻底解决问题。 医圈圈回囤圈区固 图1 1 电磁兼容影响效能的范围 1 1 2 电磁兼容技术发展概况d 2 1 电磁干扰是人们早已发现的古老问题，1 8 8 1 年，英国著名科学家希维赛德发表 了“论干扰”的文章，这是研究干扰问题最主要的早期文献。1 8 3 3 年，法拉第发现电 磁感应定律。1 8 6 4 年麦克斯韦引入位移电流的概念指出变化的电场将激发磁场，并 由此预言电磁波的存在，这种电磁场的相互激发并在空间传播，是电磁干扰存在的 理论基础。1 8 8 7 年柏林电气协会成立全部干扰问题委员会，1 8 8 8 年赫兹用实验证明 了电磁波的存在，同时该实验也指出了各种打火系统将向空间发出电磁干扰，从此 开始了对干扰问题的实验研究。1 8 8 9 年英国邮电部门研究了通信干扰问题，1 9 3 4 年 英国有关部门对一千例干扰问题进行了分析，发现其中5 0 是电气设备引起的。随 着广播等无线电事业的发展，人们逐渐认识到应该对各种干扰进行控制。国际无线 电干扰特别委员会( c 1 s p r ) 以及其它有关学术组织及专业委员会的成立，开始了 对电磁干扰问题进行世界性的有组织地对抗。为了保证电气、电了设备在复杂的电 磁环境中能够正常工作，同时减少自身对环境产生的电磁污染，国际有关机构、各 国政府、军事部门以及其它相关组织制定了一系列电磁兼容性标准和规范，标准和 规范对设备或系统非预期发射和非预期响应做出了规定和限制，执行标准和规范是 实现电磁兼容性、提高系统性能的重要保证。标准与规范的种类和数目是相当多的， 山东大学硕士学位论文 就其涉及的内容而言，它主要有这几个方面： 1 、规定了电磁发射和敏感度的极限值； 2 、统一规定了测量方法； 3 、统一规定电磁兼容领域内的名词术语； 4 、规定了设备、系统的电磁兼容要求及控制方法。 显而易见，干扰与抗干扰问题是贯穿于无线电技术的发展的始终，电磁干扰问 题虽然由来已久，但电磁兼容这一新的学科却是近代形成的，在干扰问题的长期研 究中，使人们从理论上认识了电磁干扰产生的原因，明确了干扰的性质及数学物理 模型，逐渐完善了干扰传输及耦合的计算方法，提出了抑制干扰的一系列技术措施， 建立了电磁兼容的各种组织及电磁兼容系列标准和规范，逐渐在电子学中形成一个 新的分支电磁兼容。 我国由于过去的工业基础比较薄弱，电磁环境危害尚未充分暴露，对电磁兼容 的研究认识不足，起步较晚，与国际间的差距较大。8 0 年代以来，随着我国经济建 设及科学技术的飞跃发展，国家有关部门对电磁兼容技术十分重视，对电磁兼容的 研究出现了热潮。国内有关电磁兼容的学术组织纷纷成立，学术活动频繁开展，1 9 8 7 年召开了第一届全国性的电磁兼容性学术会议，1 9 9 0 年在北京成功地举办了第一次 国际电磁兼容性学术会议，标志着我国电磁兼容学科的迅速发展并开始参与世界交 流。9 0 年代以来，随着国民经济和高科技产业的迅速发展，在航空、航天、通信、 电子等部门，电磁兼容技术受到格外重视，并投入了较大的财力和人力建立了一批 电磁兼容性试验测试中心，引进了许多先进的电磁干扰及敏感度自动测试系统和试 验设备。在电磁兼容性工程设计和预测分析方面也开展了研究并逐渐开始实际应用。 1 2 电磁干扰三要素 在任何系统中，要形成电磁干扰必须具备三个基本条件( 如图1 2 所示) ，即干 扰源，对干扰敏感的敏感单元，把电磁干扰能量从干扰源耦合到敏感单元的通道， 这三者称为电磁干扰三要素。 山东大学硕士学位论文 匪丑压至恒 图1 2 电磁干扰三要素 在系统设计、制造、安装和调试中，消除其中任何一个因素，干扰即可消除。 因此，电磁兼容设计的基本出发点就在于破坏上述三个条件中的任何一个。 电磁干扰源：指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象。一 般可分为两大类：自然干扰和人为干扰。 自然干扰是指来源于自然现象而非人工装置产生的电磁干扰；自然干扰源，是 由于大自然现象所造成的各种干扰，包括大气噪声源、天电噪声源和热噪声源等。 大气噪声源包括雷电放电和局部自然干扰源。天电噪声源包括太阳噪声和宇宙噪声。 人为干扰源是指来源于人工装置的电磁干扰。人为电磁干扰源包括各种各样的 电气、电子设备或系统由于操作和运行中有电压或电流的变化，即较大的咖出或 州出产生的电磁干扰。人为干扰源包括功能性干扰及非功能性干扰。功能性干扰指 系统中某一部分的正常工作所产生的有用能量对其它部分的干扰，而非功能性干扰 指无用的电磁能量所产生的干扰，例如各种点火系统产生的干扰。 耦合通道或称耦合途径：指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通路或媒介。 耦合途径有两种方式：传导耦合和辐射耦合，如图1 3 所示。 传导耦合是指电磁骚扰在电路中以电压或电流的形式，通过导线、元器件( 如 电容器、电感器、变压器等) 及等效电路参数耦合至被干扰电路。传导耦合可分为 直接传导耦合、公共阻抗耦合和转移阻抗耦合三种。 辐射耦合是指电磁干扰在空间中以电磁波的形式向外传播，耦合至被干扰电路。 根据干扰源与敏感设备的距离可分为近场耦合模式和远场耦合模式，辐射耦合不仅 存在于两天线之间，设备的机壳、机壳的孔洞、传输线及元件之间都可能存在辐射 耦合。 敏感设备：指受到电磁干扰的设备，或者说对电磁干扰发牛影响的设备。 电磁兼容设计的思路就是从电磁干扰的三要素( 电磁干扰源、电磁干扰的耦合 路径、接收电磁干扰的电磁敏感电路) 入丁，通常采用电磁干扰分析，建立模型进 4 山东大学硕士学位论文 行预测，采取e m c 措施，试验和性能分析等环节，以确保系统的电磁兼容性。 ( 1 ) 首先，要充分分析电子设备可能存在的电磁干扰源及其性质，尽量消除或降 低电磁干扰源的参数。 ( 2 ) 其次，要充分了解电磁干扰可能的传播路径，尽量切断其路径或降低与电磁 干扰耦合的程度。 ( 3 ) 最后，要充分认识易于接收电磁干扰的电磁敏感电路或器件，消除或尽量减 少其接收电磁干扰的可能性。 为此，在设计时应采取相应对策，消除或部分消除可能出现的电磁骚扰，以减 轻调试工作的压力。在调试中，针对具体出现的电磁骚扰，以及接收电磁骚扰的单 元或电路的表现进行分析，以确定电磁骚扰源所在及电磁骚扰可能传播的路径，再 采取相应的解决办法。 1 - 3 开关电源电磁兼容的发展状况 很多文献从传导e m l 的源、传播途径和门极驱动等方面入手，对电磁干扰频谱 的影响方面进行了分析研究，对比了在不同的开关频率、驱动电阻、输入电压、负 载电流等参数下，差模、共模和总的传导干扰的变化，得出的结论是差模干扰主要 由功率开关管产生的脉动电流引起，共模干扰主要由d v d t 与寄生电容引起，两者可 以同时产生。当没有自h e m i 滤波器时，差模干扰在低频时占主要地位，而共模干扰 在高频时占主要地位。 早在1 9 8 3 年，s c h n e i d e r 运用实验测试的方法，描述了开关电源交流测共模和差 模干扰的等效电路。1 9 8 6 年，m a r k j n a v e 分析了开关电源e m i 的产生机理，以及共 模和差模干扰的传播途径，得出了各自的等效电路【3 6 】。1 9 8 9 年m a r k j n a v e 2 z 分析了 开关电源中电压上升时间、占空比对共模干扰的影响，认为共模干扰与电压上升时 间、占空比无关，与直流电压幅值、开关管对地的寄生电容和开关频率成正比关系 【3 5 1 。 s g u t t o w s k i 等人对斩波电路从不同方面进行了研究【3 4 j ，得出的结论是干扰频谱 随直流输入电压线性上升，随开关频率也线性上升，而驱动电阻对干扰频谱的影响 山东大学硕士学位论文 只在1 m h z 频率之后，在低于1 m h z 频率时干扰频谱基本不随驱动电阻变化，而负载 电流对干扰频谱可以说基本上没有影响。 法 g r e n o b l e 电技术实验室( v a 下简称l e g ) 的t e u l i n g 、s c h n a e n 和r o u d e t 基于 m o s f e t 构成的4 0 0 w 、开关频率为1 0 0 k h z 的斩波电路实验模型的研究表明，共模 噪声与d v d t 相关，差模噪声与别出相关，二者可能同时产生。如在该模型中 m o s f e t 关断时，电流被关断的同时，电压呈现衰减振荡，因而，此时共模噪声和 差模噪声共存。通常低频时差模干扰占主导地位，高频时共模干扰处于主导地位【1 6 】。 1 9 9 3 年，s c h e i e hr 考虑了器件的寄生参数，研究了一个b u c k 电路的共模干扰1 2 7 l ， 他把共模干扰用一个近似等效电路描述，电路的激励源采用b u c k 电路开关管的端电 压代替，分别对激励电压源和共模电流与电压源之比的传递函数进行了傅立叶分析， 得出了共模干扰频谱，同时与实测结果进行比较，共模干扰频谱在1 0 k h z 1 0 m h z 之间有5 1 0 d b 的差别，在1 0 m h z 一1 0 0 m h z 之间有2 0 d b 的误差。 1 9 9 5 年，s c h e i c hr 分析并预测了一套s c r 整流系统的差模传导干扰闭，认为差 模干扰的产生主要基于两个因素：一是由电源线路电感所引起的换流重叠现象，二 是半导体开关特性决定其电流特征的物理特性，同时s c r 整流系统中晶闸管的恢复 现象可能产生两个结果：一是换向重叠时间，二是在晶闸管上附加了指数衰减的电 流，根据其换流特征，得出了换流器件两个状态的等效电路，从时域和频域对该等 效电路进行分析，频率范围在1 k h z 一2 5 0 k h z ，实测干扰与计算得出的干扰频谱差别 为5 1 0 d b 。同时实测出晶闸管恢复现象可使传导干扰频谱增加4 5 d b 。 西门子公司的k f r a n k 等人研究了5 1 0 k v a 的i g b t 变换器在不同工作电压、工 作电流、模块封装、门电路、温度、接地状况以及附加元件情况下的共模与差模传 导干扰i 矧，在采用不同厂家( 但额定值相同) 的功率开关管时干扰频谱大致相同， 不同的只是在3 m h z 频率以上，这是因为不同厂家的功率开关管的电压、电流的上 升、下降时间不一致。另外，散热器接安全地与否对于扰频谱有重大的影响，由此 得出干扰频谱与开关管对地的寄牛电容有直接关系的结论。 浙江大学的袁义牛、钱照明提出适合于e m l 分析的m o s f e t 和二极管的高频模 型，建立差模干扰和共模干扰的精确的时域电路模型，为e m i 干扰的定性和定量分 析提供了理论基础【3 8 。 6 山东大学硕士学位论文 海军工程大学的孟进、马伟明等在共模干扰和差模干扰的基础上提出了混合干 扰模式，通过建立干扰集总等效模型精确的描述了开关电源变换器的电磁干扰特性， 提出了开关电源变换器传导干扰分析及建模方法【3 9 , 4 2 , 4 5 , 4 6 , 4 7 , 5 2 1 。 清华大学的和军平、姜建国在分析开关电源各个器件作用的基础上，得出了反 映典型电磁干扰发射时，传导干扰发射量、干扰源和干扰传播通道关系的线性化方 程，进而提出了测量典型传导干扰耦合通道特性的新方法，并进行了验证1 2 2 , 2 9 , 4 0 。 1 4 开关电源电磁兼容性的现状1 8 ，1 蟠羽 开关电源因工作在高电压、大电流的开关状态下，电磁兼容性问题相当突出。 从整机的电磁性能方面，主要有共阻抗耦合，线间耦合、电场耦合、磁场耦合及电 磁波耦合几种。其中：共阻耦合是干扰源与受干扰体在电气上存在的共同阻抗，通 过该阻抗使干扰信号进入受干扰体；线间耦合是产生干扰电压及干扰电流的导线或 p c b 线因并行布线而产生的相互耦合；电场耦合是由于电位差的存在，产生的感应 电场对受干扰体产生的场耦合：磁场耦合是在大电流的脉冲电源线附近，产生的低 频磁场对干扰对象产生的藕合；电磁场耦合则是由于脉动的电压或电流产生的高频 电磁波通过空间向外辐射，对相应的受干扰体产生的耦合。在开关电源中，开关电 压及开关电流均接近方波，含有丰富的高次谐波。同时，由于开关变压器的漏电感 及分布电容以及开关器件的工作状态非理想，在高频开或关时，常常会产生高频、 高压的尖峰高次谐波振荡，该谐波通过开关管与散热器间的分布电容传入内部电路 或通过散热器及变压器向空间辐射。另外用于整流及续流的开关二极管，也是产生 高频干扰的另个重要原因。因为二极管的弓f 线寄生电感、结电容的存在以及反向 恢复电流的影响，在很高的电压及电流变化率下，容易产生高频自激振荡，其产生 的高频干扰容易通过输出线传出。其次开关电源为了提高电路的功率因数，采用了 有源功率因数校正电路。为了提高电路的效率及可靠性，减小功率器件的电应力， 大量地采用了软开关技术，其中零电压、零电流或零电压、零电流开关技术应用最 为广泛。上述技术的应用极大地降低了开关器件所产生的电磁干扰。但是，软开关 无损吸收电路多数利用l 、c 进行能量转移。利用二极管的单向导电性能实现能量的 7 山东大学硕士学位论文 单向转换，因此该二极管又成为电磁干扰的主要干扰源之一。开关电源一般利用储 能电感及电容器组成l 、c 滤波电路，实现对差模及共摸干扰信号的滤波。由于电感 线圈的分布电容，导致了电感线圈的自谐振频率降低，从而使大量的高频干扰信号 穿过电感线圈，沿交流电源线或直流输出线向外传播。滤波电容器随着干扰信号频 率的上升，引线电感的作用导致电容量及滤波效果不断下降，甚至导致电容器参数 改变，也是产生电磁干扰的另一个原因。此外，p c b 布线不合理、结构设计不合理、 电源线输入滤波不合理、输入、输出电源线布线不合理及c p u 、检测电路的设计不 合理，均会导致系统工作的不稳定。 1 5 开关电源的电磁干扰源 开关电源产生e m i 的原因较多，其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和 变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。当谐波的频率较低时，干 扰就会沿着输电线路产生传导干扰；当其频率高到一定程度时，就会以波的形式向 周围空间传播，从而形成电磁辐射干扰。产生干扰的主要元器件是： ( 1 ) 功率开关管。功率开关管及其散热片与外壳和电源内部的引线间存在分布 电容。当开关管导通和关断时，一般会形成矩形波，该波形含有丰富的高频成份。 由于元器件本身的原因，如开关管的存储时间、输入输出电容、开关整流二极管的 反向恢复时问等，这样会造成很大的尖峰电流，这种电流流经变压器和电感产生的 电磁场都可能形成噪声源，严重时，可以击穿开关管。 ( 2 ) 高频变压器。当原来导通的开关管关断时，高频变压器的漏感所产牛的反 j ： 电势e = 一三。半，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断 d f 电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。它既影响其它设备的安全和经济 运行，也影响自身的工作。开关电源中的变压器作用是：隔离与储能。在高频的情况 下，其隔离是不完全的，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在 初次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周围 产生的电磁场更容易在其它引线上耦合形成噪声。 8 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 整流二极管。在输出整流二极管截止时有一个反向电流，它恢复到零点的 时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流恢复到零点的二极管称为硬恢复二极 管。它会在变压器漏感和其它分布参数的影响下产生较强的高频干扰，其频率可达 几十兆赫。p n 型硅二极管用作高频整流时，正向电流蓄积的电荷在加反向电压时不 能立即消除，只要这个反向电流恢复时的电流斜率过大，流过变压器线圈的电感就 产生了尖峰电压。 ( 4 ) 电容、电感器和导线。开关电源由于工作在较高频率，会使低频元器件特性 发生变化，由此产生噪声。 本论文主要内容 随着电力电子技术的不断发展，电磁环境越来越复杂，电磁干扰问题越来越突 出。各种电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容性能指标要求越来越高，产品 走向市场，走向国外必须通过相应的电磁兼容性测试及认证。本文以反激式开关电 源为研究对象，研究了开关电源的传导e m i 预测仿真技术。试图通过仿真的方法去 研究不同参数对传导干扰大小的影响，为抑制电磁干扰提供参考依据。 第一章主要介绍了电磁兼容和开关电源电磁兼容的发展和现状。分析了开关电 源的主要干扰源，为后面的研究指明了方向。 第二章首先介绍了反激式开关电源的原理电路。逐一分析了电路元器件的高频 特性和仿真模型，给出了l i s n 的仿真模型，最后根据各元器件的模型组建了反激 式开关电源的高频电路模型，并分析了共模传导e m i 和差模传导e m i 的耦合路径。 第三章介绍了仿真的过程和结果的分析。首先介绍了电路仿真软件p s p i c e 的特 点并与s a b e r 和m a t l a b 进行了比较；其次建立了反激式开关电源传导e m i 仿真的电 路模型，并分别对不同参数的变化时，对电路进行了仿真，得出了不同参数的变化 对干扰大小的影响；最后根据电流的大小和流动方向标识出了传导干扰耦合的路径。 第四章主要介绍了辐射干扰的测试系统。对辐射e m i 的特点进行了分析，提 出了利用m a t l a b 仪器控制工具箱通过g p i b 接口对转台，天线高度和e m i 接收机进 行控制，来测试辐射干扰大小的方法。 9 山东大学硕士学位论文 第二章反激式开关电源e m c 的仿真模型 2 1 反激式开关电源工作原理1 习 为了能够很好的对开关电源传导e m i 进行仿真研究，需要以一个硬件为研究对 象和基础。在硬件的选择和设计中考虑到传导e m i 的复杂性，为了使研究过程概念 清晰，排除不必要的干扰，而且在实际应用中该硬件具有一定的典型性，本文选择 单端反激式开关电源作为研究对象，它具有很强的实用性及典型性。 单端反激式开关电源的原理电路如图( 2 1 ) 所示。主电路元件包括输入电容c 。、 高频变压器t x 、m o s f e t 、输出电容c 。 在t o 。时间内，m j 导通，d j 截至，电源电压v 。加在变压器t x 原边上，t x 的n , 边 励磁电感存储能量，在t d 。期间，m 1 截至，d 1 导通，t x 中存储的能量耦合到副边， 方波电压经输出电容c 。滤波后输送给负载r l 。理想状态下非连续模式工作波形如 图( 2 2 ) 所示。 飞 图2 1 电路原理图 2 2 电路元件的高频模型 1 p i s 11 卜卜 图2 2 理想波形图 由于开关电源工作的开关频率很高，会产牛高变化牢的电压和电流。由于开关 器件本身的非理想性，和线路本身的寄牛参数的影响，导致开关符的电压、电流波 1 0 山东大学硕士学位论文 形的频率响应分布在很宽的频率范围内，并且形成传播途径，产生差模和共模传导 干扰。在高频范围，尤其是射频范围( 1 m 一3 0 m h z ) ，电阻已经不单纯是电阻，电 容也不单纯是电容，电感也不单纯是电感，它们都有各自的寄生参数，对于设备的 电磁兼容性能影响巨大，下面将逐一介绍仿真电路中各器件的高频模型。 2 2 1 电阻的高频模型1 1 硐 电阻是电子设备中最常用的元件，实际电阻的阻抗特性与理想特性有很大差别， 尤其是在射频范围，电阻的高频等效电路如图( 2 3 ) 所示，图中，e s l 是电阻的漏 感，e s c 是电阻的寄生电容。当流过电阻的电流是直流电流时，漏感相当于短路， 寄生电容相当于开路，此时电阻的阻抗特性完全是阻性的，阻值为电阻的幅值，当 频率逐渐升高时，寄生电容起主要作用，电阻呈现出容性特征，对于一般的大电阻 来说，在高频范围寄生电容一般是主要的，而对于阻值较小的电阻来说，寄生电感 起主要作用。 e ! ；c 。哟。 2 2 2 电感的高频模型1 1 捌 i t e s l 图2 3 高频电阻的模型 高频时电感的等效模型如图( 2 4 ) 所示。其e s r , e s c 分别表示等效串联电 阻、等效串联电容。l 为低频时电感的值。 图2 4 电感的高频模型 1 l l 山东大学硕士学位论文 高频时电感的阻抗为 ! i w l 脚s r + 鸶一+ 矗 j w e s c 。 当频率很高时( 2 1 ) 式变为 z e s r 一= 丝；e s r z 历c l0 2 , 醪c e s r 一般很小，在高频时可以忽略。则( 2 2 ) 变为 ( 2 1 ) ( 2 2 ) z 一一一 ( 2 3 ) m e s c 在高频时，电感相当于低频时的电容。此时电感的阻抗基本上与等效串联电容 成反比。 图( 2 5 ) 是电感阻抗的示意图。其中丘- 善一为电感的谐振频率。在谐振频 2 e 、j e s l c 率附近，阻抗值最大。 2 2 3 电容高频的模型1 j 9 捌 f c f 图2 5 电感的阻抗特性 高频时的电容等效模型为图( 2 6 ) 所示。其中e s r 为电容的等效串联电阻，e s l 为电容的等效串联电感。 e s r e s l c ，； o _ 州卜1 1 1 y 、_ 1 卜_ 图2 6 高频电容的模型 山东大学硕士学位论文 葡颡时电答的阻抗为 z 一抄观+ 去+ 麟 ( 2 4 ) ，巩 高频时，电容的寄生电阻与寄生电感产生的阻抗相比很小，可以忽略不计。( 2 4 ) 式变为 z j o , - 髓l + 三j o t l ( 2 5 ) 当 1 ：时，上式为 0 e s l c z - j w e s l( 2 6 ) 在该频段，起主要作用的是寄生电感参数。电容所起的作用相当于电感。这时， 电容的阻抗特性曲线如图( 2 7 ) 所示。其中，正为电容的谐振频率。由图可知当电 容在谐振频率附近时。b 且抗最小。 f c f 图2 7 电容的阻抗特性 2 2 4 功率场效应管( m o s f e t ) 模型口川 功率场效应管( p o w e r m o s f e t p o w e l m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ) ，是一种多子导电单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频性能好、 输入阻抗高、驱动功率小。热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导 线性度高等显著特点。在传导e m i 的研究中，高频骚扰是功率晶体管拥有上述优点 同时产生的一个副作用。从n m o s 管的结构来看如图( 2 8 ) ，它是一块轻掺杂的p 型硅衬底上，扩散上两块重掺杂的n + 区，在这两个n + 区之间的p 型硅表面上生长上 一层很薄的二氧化硅薄膜，然后从二氧化硅及两个n + 区表面各引出一个电极，分别 山东大学硕士学位论文 为栅极( g ) 、源极( s ) 和漏极( d ) 。n m o s 管是利用栅一源之间的半导体材料表面上产 生感生电荷，从而形成导电沟道的原理而工作的。如果栅源之间的电压。改变， 产生的感生电荷量也改变，导电沟道的电导率随之改变，从而改变了漏源电流i 。 另外，源极金属电极将n + 区和p 区连接在一起，因此源极与漏极之间形成了一个寄 生二极管，它和m o s f e t 植j 成一个不可分割的整体，它在开关电源传导e m i 的产生 中作用不可忽视。 漏极d 源极s 栅极g 漏极d 栅栅j 岛二艚铝 二氧化硅 源极s 衬底 ( a ) n m o s 示意图( b ) n m o s 结构图 图2 8n m o s 管 功率m o s t 管作为开关器件一般工作在很高的频率下( 几十到几百k h z ) ，此时 它开关的瞬态过程主要取决于它的动态特性。在开关过程中，它的漏源电压和电流 就具有很高的变化率( d v ，o s ，竺芋) ，而且造成开关管开关准方波波形的畸变，出 现振荡和漏极过电压现象。漏源极间皇警效应有三种形式：静态皇警、动态坐盘和 a td td t 寄生二极管恢复皇粤( 其产牛原因见功率二极管) 。其中静态皇警是指器件处于阻断 a t d t 状态时出现的漏源极之间的电压上升率；动态皇肇是器件处于关断过程时出现的漏 源之间的电压上升率。这两种效应产牛的原因也不尽相同，前者辛要与栅、源、漏 极间寄生电容的存在和栅极电阻大小有密切的关系，后者与器件负载有关，当器件 接有感性负载时，器件关断，漏极电流的突变会产生比外电源还高的漏源瞬态电压。 在m o s f e t 作为开关器件工作在高频时，上述波形畸变的现象以及数值很大的 皇警与m o s f e t 管散热片和地之间寄牛电容一起，形成了开关电源共模传导e m l 最 典型的干扰源。p s p i c e 元件库中提供了丰富的m o s f e t 电路模型。该电路模型充分 山东大学硕士学位论文 考虑了场效应管的直流特性，电荷存储效应以及并联二极管。n m o s f e t 的p s p i c e 模型如图( 2 9 ) 所示，图耐，船分别表示漏极与源极区的欧姆电阻，c 。、c 。表示 n m o s 肿的两个衬底的电荷存储效应，c 一、c ，、c 曲模拟栅极区的电荷存储效 应。 图2 9m o s f e t 的电路模型 m o s f e t f f 自p s p i c e 仿真模型参数； m o d e li r f p e 5 0 蛐伪1 6 e v e j = 3 钿删舻0d e l t a = og t a = ot h e t a = 0k a p p a = o 2y m a x = ox j - 0 +tox=loonu o = 6 0 0p h i = 5 船；0 0 1 mk p 2 0 6 2 u 弘8 6h = 2 uv t o t 3 9 2 7 +r d = o 9 0 9 5r 曲e 3 5 5 6 m e gc b d - 0 0 0 i np b 。8 那= 5i r c = sc g s o = o o z n + c g d 。s 卸r g = 9 2 。o 钮1 5 - 4 6 9 ，酗lt = 1 4 d n ) o i n t lr e c t i f i e r p i d = i p 3 c e s oc a s e ；1 9 3 p t 8 0 0 8 - 2 6b a c r e a c i o n 2 2 5 二极管模型聊 功率二极管在开关电源中与功率m o s f e t 管一起组成了电路的开关器件，通过 两者交替开通和关断来传输能量。开关电源中采用的功率二极管是快速恢复二极管， 这种二极管在正向偏置是呈低阻状态，近似短路；反向偏置时，二极管呈高阻状态， 反向电流很小，近似于开路。二极管的上述特性是它用作开关器件的基础。但是， 二极管从低阻转变成高阻或从高阻转变成低阻并不是瞬时完成的。这些转变都要经 舯 历一定的过程。其中从正向导通转变为反向阻断称为反向恢复，这一现象是引起竺 d f 变大的主要原因。在低频工作时，二极管的电容效应可以不必考虑，在高频电路中， 由于电压变化率的提高，与电容效应对应的电荷量变化将形成不可忽略的电容性电 山东大学硕士学位论文 流。正是因为电容效应，在正向电压作用时二极管在区储存了一定数量的少数载 流子，当反向偏置时这些少数载流子将被空间电荷区的强电场抽回p 区。由于少数 载流子的密度远高于区的平衡空穴密度，因而，在偏压反向瞬间将有很大的反向 电流出现。这个电流尖峰的频谱很宽，有很大的变化率，和周围其他元件一起形成 很强的干扰。二极管的p s p i c e 仿真电路模型如图( 2 1 0 ) 所示，黜表示引脚电阻，i 表示正向导通电流，c 为结电容。 e 图2 1 0 二极管电路模型 二极管的p s p i c e 仿真模型参数： m o d e lh b r 5 f 1 2 5 h 1d f i s 。q 0 5 3 ur s - 咤3 3 8 mi k f = 5 8 嘎n = ix t ；i - 0e 口- 1 1 1c j o = 1 5 3 7 n +肛4 5 4 5v j 7 5f c = 5i s r - 6 7 3 4 un r = 2 j t l l o g o r o l a p l e t - i n 5 8 2 3c a s e - 6 0 - 0 1 88一d9一131 7 m n 2 2 6 变压器的模型【4 2 l 变压器是开关电源中完成电压变换、电气隔离和能量储存的重要部件。他们的 等效电路模型如图( 2 i i ) 所示。主要由一个理想变压器、漏电感、耦合电容及绕 线电阻构成。漏电感l 。是影响变压器性能的一个重要参数。当m o s f e t 由导通变为 关断时，高频变压器的漏电感l ，产生一个反电势= 等，其大小与漏电感l ，大 4 f 小成正比、与m o s f e t 漏极d 的电流变化牢成正比，这个反电势迭加在关断电压上， 形成关断电压尖峰，漏电感与一些寄牛电容一起形成谐振电路，从而在连续脉冲电 流经过变压器的时候产生振荡。这些寄牛电容和电感都是很小的，这种振荡通常是 高频振荡。从而形成传导干扰。并由电路的电阻消耗漏感储存的能量造成发热。它 山东大学硕士学位论文 既影响其它设备的安全和经济运行，也影响自身的工作。在高频的情况下，变压器 发热隔离是不完全的，变压器绕线层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易 在初次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周 围产生的电磁场更容易在其它引线上耦合形成噪声。 图2 1 1 变压器的电路模型图2 1 2 变压器的仿真模型 变压器的仿真模型的建立是个很复杂的过程，在p s p i c e 软件里利用了耦合磁心的 模型，通过磁心耦合两个线圈，再串联电感和电阻来模拟实际变压器的漏电感和绕 线电阻。在建立仿真模型时主要考虑了漏电感，忽略了耦合电容。变压器的仿真模 型如图( 2 1 2 ) 所示 2 3 线性阻抗稳定网络f 跚v ) 作用及其模型 4 0 a 2 1 在实验室进行传导e m i 电压测量时，把从开关电源的电源线看供给侧的阻抗归 一化，测量这归一化阻抗上的电压即可。一般来说，电源线阻抗随频率变化，归一 化阻抗有多种规格，标准的为5 0 q 。实测时在电源与被侧设备之间加装阻抗稳 定网络( l i s n ) 如图( 2 1 3 ) 所示。其作用是使阻抗归一化。l i s n 主要由电感、电容 和两个5 0 q 的电阻组成。在传导干扰频率上( 1 5 0 k h z 一3 0 m i - l z ) ，两个5 0 u h 的电 感表现为高阻抗，防止来自于电网侧的噪声导入分析仪。而两个0 1 “f 的电容表现 为低阻抗，耦合在两个5 0 q 电阻上的电压、和v 为传导e m i 电压。按照一般的定义， 差模( d m ) 噪声为两个5 0 q 电阻上电压差的1 2