【導(dǎo)讀】本文根據(jù)開關(guān)電源在開關(guān)快速開關(guān)的過(guò)程中存在dvΠdt效應(yīng)和傳導(dǎo)性輻射的情況，提出一種開關(guān)電源抑制傳導(dǎo)性電磁干擾的緩沖電路設(shè)計(jì)方法。仿真研究證明了這種緩沖電路在抑制傳導(dǎo)性電磁干擾的有效性。
1 引 言
電磁干擾EMI就是電磁兼容不足,是破壞性電磁能從一個(gè)電子設(shè)備通過(guò)輻射或傳導(dǎo)傳到另一個(gè)電子設(shè)備的過(guò)程。傳導(dǎo)性(conducted)EMI是EMI的一種重要形式，它是射頻能量通過(guò)發(fā)射形成傳播波，一般通過(guò)電線或內(nèi)部連接電纜，以傳播波形式傳播。
近年來(lái),電子設(shè)備的EMI的抑制已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，開關(guān)電源是當(dāng)前市場(chǎng)上一種頗受歡迎的電源，具有體積小，效率高，規(guī)格多的優(yōu)點(diǎn)。在電子產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，開關(guān)電源往往被直接利用作為整個(gè)電子系統(tǒng)的一部分。然而,由于這種電源高頻率的開關(guān)動(dòng)作，將產(chǎn)生大量的傳導(dǎo)性電磁干擾(EMI)。這個(gè)問(wèn)題在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段如果處理不好,將對(duì)開關(guān)電源乃至整個(gè)電子系統(tǒng)造成不利的影響。開關(guān)電源在高頻信號(hào)的控制下，開關(guān)元件高速動(dòng)作使開關(guān)電路存在dvΠdt效應(yīng)和傳導(dǎo)性輻射。
2 開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的根本原因和利用能量存儲(chǔ)減小EMI的理論分析
在麥克斯韋方程組中，電勢(shì)差定律為:
電流定律為:
電勢(shì)差定律也叫法拉第電磁感應(yīng)定律,描述的是穿過(guò)閉合回路的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電流,變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。電流定律解釋了電路中EMI產(chǎn)生的根本原因——時(shí)變電流,時(shí)變電流既產(chǎn)生電場(chǎng),又產(chǎn)生磁場(chǎng)。對(duì)電磁兼容來(lái)說(shuō),這兩個(gè)定律相互作用,使得電路產(chǎn)生具有射頻電流的EMI。
為了抑制EMI,在開關(guān)電路上增加一個(gè)具有存儲(chǔ)電荷效應(yīng)的簡(jiǎn)單電路——緩沖電路。在緩沖電路中，最重要的部件是電容Css。由于在頻率比較高時(shí)，導(dǎo)線可以用電阻與電感相串聯(lián)來(lái)等效,電容器要用電容、電阻、電感串聯(lián)來(lái)等效，因此Cs、Ls、Rs串聯(lián)組成了Css仿真等效電路。其阻抗為：
自諧振頻率為:
當(dāng)信號(hào)頻率高于
時(shí)，串聯(lián)回路呈感性失諧；當(dāng)信號(hào)頻率低于
時(shí)，串聯(lián)回路呈容性失諧。能量存儲(chǔ)效應(yīng)是電容在開關(guān)高速動(dòng)作時(shí)，起到能量存儲(chǔ)的補(bǔ)償效應(yīng)。電容能量存儲(chǔ)效應(yīng)公式為：
時(shí)，串聯(lián)回路呈感性失諧；當(dāng)信號(hào)頻率低于時(shí)，串聯(lián)回路呈容性失諧。能量存儲(chǔ)效應(yīng)是電容在開關(guān)高速動(dòng)作時(shí)，起到能量存儲(chǔ)的補(bǔ)償效應(yīng)。電容能量存儲(chǔ)效應(yīng)公式為：
其中ΔI為開關(guān)轉(zhuǎn)換電流，ΔV為允許的電壓改變，Δt為開關(guān)切換時(shí)間。其能量補(bǔ)償原理是：在經(jīng)歷開關(guān)快速變化時(shí)，對(duì)頻率比較低的成分，在電壓突變時(shí),有更多的電流供給開關(guān)元件；對(duì)高頻成分，電容感性失諧，它決定了向開關(guān)元件最初能提供的電流。由于以上能量存儲(chǔ)效應(yīng)，可以將dvΠdt和diΠdt快速變化的能量存儲(chǔ)起來(lái)，使得緩沖電路具有較強(qiáng)的抑制EMI的功能。
3 具有緩沖電路的開關(guān)電源組成與工作原理
圖1為50kHz開關(guān)控制電源的組成方框圖。其中線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的作用是為了消除在供電電力線內(nèi)潛在的干擾，包括電力線干擾、電快速瞬變，電涌，電壓高低變化和電力線諧波等。這些干擾對(duì)對(duì)一般穩(wěn)壓電源來(lái)說(shuō)，影響不是很大，但對(duì)高頻開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，則影響顯著。
開關(guān)元件一般在電壓波形的波峰消耗能量，這樣，當(dāng)外界電壓有干擾或變化時(shí)，將使開關(guān)電源產(chǎn)生較多諧波成分而使波形失真，且EMI會(huì)比較嚴(yán)重，影響到開關(guān)電源和整個(gè)電子設(shè)備的安全工作。線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)還可以有效抑制供電線內(nèi)的共模干擾，利用其對(duì)稱結(jié)構(gòu)和適當(dāng)?shù)娜ヱ钐幚砗驮O(shè)計(jì)來(lái)解決。
整流濾波電路由一般橋式整流電路和一個(gè)大電容組成。高頻信號(hào)產(chǎn)生與控制電路的作用有兩個(gè)，一個(gè)是產(chǎn)生觸發(fā)開關(guān)元件通斷的高頻矩形脈沖，這些矩形脈沖的占空比決定了輸出直流電壓的高低；另一個(gè)是穩(wěn)壓反饋?zhàn)饔?，即從輸出端取樣的電壓?jīng)過(guò)與整流，與基準(zhǔn)直流電壓比較后形成誤差電壓，該電壓經(jīng)過(guò)放大控制高頻信號(hào)產(chǎn)生電路中高頻信號(hào)的
占空比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。
場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)主電路為開關(guān)電源的核心電路，也是產(chǎn)生EMI的主要電路。因此,在場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)傳統(tǒng)主電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)增加一個(gè)緩沖電路來(lái)抑制EMI。在這部分電路設(shè)計(jì)時(shí)，要著重注意共模電流和串?dāng)_的影響。共模輻射是由于電路設(shè)計(jì)之處的電壓降造成的，這種電壓降致使電路的一些接地部分的電壓比真實(shí)的參考地電壓高，這樣受影響的接地系統(tǒng)相連的電纜或器件就成了天線，在空中輻射共模電磁能,并通過(guò)電纜或?qū)Ь€感應(yīng)來(lái)傳播。差模輻射很容易利用電路的設(shè)計(jì)來(lái)減弱，但共模輻射相當(dāng)難解決，通常利用靈敏接地來(lái)解決。
4 具有緩沖電路開關(guān)主電路設(shè)計(jì)與仿真
圖2為開關(guān)主電路仿真電路。緩沖電路的仿真參數(shù)設(shè)置為：仿真區(qū)間0～30ms，跌代步長(zhǎng)0101μs，開關(guān)控制信號(hào)50kHz。緩沖電路器件參數(shù)為D1—MUR460，R2—500，Cs—5nF，Ls—34nH，Rs—0115。
在圖2中，為了便于仿真，將Css等效成Cs、Ls、Rs串聯(lián)的形式，由于器件連接結(jié)構(gòu)的原因，由場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管M1的漏極通過(guò)C2接機(jī)殼來(lái)等效M1。仿真電路中緩沖電路由R2、D1、Cs、Ls、Rs組成，M1在高頻信號(hào)產(chǎn)生與控制電路Vs信號(hào)的作用下，完成高速開關(guān)動(dòng)作，并經(jīng)L和C3和濾波，在負(fù)載RL上得到直流電壓。
為了將有緩沖電路和沒(méi)有緩沖電路的開關(guān)電路EMI進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)其進(jìn)行仿真分析。圖3為帶有緩沖電路開關(guān)元件電壓電流和功率波形，從功率波形上可以發(fā)現(xiàn)開關(guān)器件仍然存在小幅射頻振蕩。為了有利于觀察有緩沖電路和沒(méi)有緩沖電路的開關(guān)電路產(chǎn)生射頻振蕩的情況，將二者的電壓電流功率波形進(jìn)行放大，得到圖4有緩沖電路開關(guān)元件電壓電流和功率放大波形和圖5沒(méi)有緩沖電路開關(guān)元件電壓電流和功率放大波形。
從圖4和圖5中可以看出，兩種電路都有一些射頻振蕩，這些振蕩會(huì)帶來(lái)EMI輻射，并對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生不利影響。仔細(xì)觀察不難發(fā)現(xiàn)，二者在振蕩幅度上差別很大。通過(guò)仿真游標(biāo)讀出，有緩沖電路開關(guān)電流的振蕩幅度最大為41125A，功率振蕩幅度最大為6813W；而無(wú)緩沖電路開關(guān)電流的振蕩幅度最大為60A，功率振蕩幅度最大約為1kW。后者的最大射頻電流比前者大23分貝，最大射頻功率比前者大11分貝。
從以上兩種電路仿真結(jié)果從幅度上對(duì)比可以看出，有緩沖電路的開關(guān)電源其dVΠdt、diΠdt效應(yīng)比無(wú)緩沖電路開關(guān)電源要小得多，可以得出緩沖電路對(duì)EMI的抑制作用明顯的結(jié)論。
5 結(jié) 論
本文提出了一種利用簡(jiǎn)單的電路——緩沖電路來(lái)抑制開關(guān)電源傳導(dǎo)性輻射的方法。利用PSPICE仿真模型驗(yàn)證比較了有無(wú)緩沖電路時(shí)的開關(guān)元件輻射EMI的電壓、電流和功率,指出它們存在射頻振蕩的大小。在仿真過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)Css的參數(shù)對(duì)抑制EMI的作用比較敏感。所以，實(shí)際電路設(shè)計(jì)與生產(chǎn)時(shí)，對(duì)Css要仔細(xì)挑選，使的其參數(shù)符合要求。
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