反激式開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的Saber建模仿真

房媛媛,秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件研究所,杭州 310018)

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反激式開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的Saber建模仿真

房媛媛,秦會(huì)斌*

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件研究所,杭州 310018)

摘要:針對(duì)目前反激式開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)干擾問(wèn)題較為嚴(yán)重的現(xiàn)象,分析了反激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理以及電路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的原因。利用Saber軟件建立了電路的傳導(dǎo)干擾仿真模型,得到了電路的傳導(dǎo)干擾仿真波形。通過(guò)軟件仿真結(jié)果與硬件電路的傳導(dǎo)干擾波形測(cè)試結(jié)果相對(duì)比,驗(yàn)證了模型的適用性。

關(guān)鍵詞:開(kāi)關(guān)電源;傳導(dǎo)干擾;建模;MOSFET

反激式開(kāi)關(guān)電源因其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,省去了電感,體積大大縮小,同時(shí)也因輸出穩(wěn)定,效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于中小功率電源中[1-2]。但是隨著開(kāi)關(guān)電源的高頻化,電磁干擾的問(wèn)題日益突出[3]。目前人們對(duì)開(kāi)關(guān)電源電磁干擾的已有一定理論認(rèn)識(shí),而實(shí)際電磁干擾會(huì)受到多種因素的影響,如電子元器件的自身參數(shù)、PCB布局布線(xiàn)以及周?chē)O(shè)備的電磁輻射干擾等。傳導(dǎo)干擾主要由于在高di/dt以及du/dt的情況下產(chǎn)生,快速變化的電壓和電流產(chǎn)生高次諧波使電路的功能不穩(wěn)定,也可能傳播到電網(wǎng)對(duì)其他設(shè)備造成影響[3-4]。目前對(duì)傳導(dǎo)干擾的抑制主要通過(guò)加入濾波器以及接地點(diǎn)合理地設(shè)置[6-7]。本文以單端反激式開(kāi)關(guān)電源為例,通過(guò)分析電路中主要元器件對(duì)傳導(dǎo)干擾的影響,建立了電路的集總參數(shù)模型。

1　反激式開(kāi)關(guān)電源的工作原理

如圖1所示,反激式開(kāi)關(guān)電源的基本電路主要由輸入電容Ci、變壓器T1、功率開(kāi)關(guān)管VT、整流二極管VD和輸出電容Co組成。

圖1　反激式開(kāi)關(guān)電源基本電路

當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí),變壓器的初級(jí)繞組相當(dāng)于電感,開(kāi)始儲(chǔ)存能量。此時(shí),因?yàn)樽儔浩鞒醮渭?jí)繞組同名端相反,所以整流二極管VD截止,輸出電容Co反向充電,輸出電流為零。

當(dāng)VT截止時(shí),次級(jí)側(cè)整流二極管導(dǎo)通,變壓器初級(jí)側(cè)電流逐漸降到零,線(xiàn)圈釋放儲(chǔ)存能量,耦合到次級(jí),從而得到輸出電流。

根據(jù)功率開(kāi)關(guān)管的輸入波形占空比設(shè)計(jì)不同,變壓器存儲(chǔ)和釋放能量的時(shí)間不同,可以將反激式開(kāi)關(guān)電源工作模式分為兩種:連續(xù)工作模式和斷續(xù)工作模式。

2　電路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾原因分析

反激式開(kāi)關(guān)電源易產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾的元器件主要有:功率開(kāi)關(guān)管、變壓器以及電容。

2.1功率開(kāi)關(guān)管的高頻模型

功率開(kāi)關(guān)管存在輸出的寄生電容,傳導(dǎo)干擾信號(hào)可以通過(guò)輸出寄生電容傳輸?shù)降鼐€(xiàn),從而和輸出形成耦合通路,開(kāi)關(guān)管的反向恢復(fù)二極管會(huì)形成尖峰脈沖對(duì)電路產(chǎn)生干擾。

Saber軟件自帶MOSFET高頻模型以其造工藝為依據(jù),考慮到:柵漏極之間的固定電容Cgdc和可變電Cgd;柵源級(jí)間的固定電容Cgsc和可變電容Cgs。級(jí)間的固定電容產(chǎn)生是由于柵極的絕緣氧化層以及柵源級(jí)的導(dǎo)電層。模型中存在可變電容是因?yàn)镸OSFET中電子的往返運(yùn)用于電容的充放電原理類(lèi)似,將其等效成可變電容便于分析。Saber模型中還包含了MOSFET的寄生電感和電阻,具體模型如圖2所示。

圖2　Saber軟件自帶MOSFET高頻模型

由圖2可知,MOSFET的輸入電容為Ci=Cgdc+Cgd+Cgsc+Cgs。而對(duì)于MOSFET的輸出電容,即漏源級(jí)間的寄生電容并沒(méi)有考慮。電路中的傳導(dǎo)干擾通過(guò)輸出電容Co傳播到地線(xiàn)與輸出形成回路,從而影響電路的正常工作。建立模型時(shí)需要在Saber自帶模型的基礎(chǔ)上添加MOSFET的輸出電容Co。由于Co與開(kāi)關(guān)管的漏源級(jí)之間的電子濃度、運(yùn)功速率及方向有關(guān),一般計(jì)算比較困難,通常由生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的開(kāi)關(guān)管的技術(shù)文檔得到。

2.2變壓器的等效結(jié)構(gòu)

由于變壓器的初級(jí)和次級(jí)是交互繞制,所以初級(jí)線(xiàn)圈和次級(jí)線(xiàn)圈之間會(huì)產(chǎn)生耦合電容,當(dāng)電路中流過(guò)尖峰電流或電壓時(shí),電容會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生干擾。此外,變壓器中穿過(guò)初級(jí)線(xiàn)圈的磁通量不能全部穿過(guò)次級(jí)線(xiàn)圈,產(chǎn)生的漏磁通,從而使變壓器存在漏感。根據(jù)變壓器的繞制工藝不同,變壓器的耦合電容與漏感的大小也隨之不同。一般變壓器的漏感會(huì)控制在3%～10%,繞制工藝精良的變壓器,漏感可以降到更低。變壓器的漏感可以通過(guò)測(cè)量得到。變壓器的基本等效結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　變壓器基本等效結(jié)構(gòu)圖

平行板電容器的電容可表示為式(1)

(1)

可以將變壓器的初次級(jí)線(xiàn)圈對(duì)應(yīng)的截面積分成n份,每份為ΔS,則方程變?yōu)?/p>

(2)

從而得變壓器的耦合電容CX為

(3)

2.3電容的高頻等效模型

電容一般在反激式開(kāi)關(guān)電源電路作為濾波和鉗位作用。這里所說(shuō)的電容主要是指電路的輸入和輸出濾波電容。由于電路工作頻率較高,電容不在僅僅表現(xiàn)為容性,而是的向感性過(guò)渡。高頻下,電容的等效電路如圖4所示。

圖4　電容的高頻等效電路

其中,LS為電容的等效電感,ESR為電容的等效電阻。

3　電路Saber仿真與建模分析

3.1電路傳導(dǎo)干擾仿真

本文利用Saber軟件自帶元器件模型,并對(duì)搭建了反激式開(kāi)關(guān)電源電路進(jìn)行了仿真,電路原理圖如圖5所示。電路的輸入電壓為220 V交流電,寬電壓輸入,變壓器磁芯采用PQ26/25型號(hào),開(kāi)關(guān)管采用8N60,開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz,得到輸出電壓為12 V,輸出電流為5 A。傳導(dǎo)仿真波形如圖6所示。

3.2傳導(dǎo)干擾建模仿真

通過(guò)前面對(duì)電路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾原因的分析,建立了電路的傳導(dǎo)干擾仿真模型。其中元器件的部分寄生參數(shù)可以通過(guò)查閱元件的使用文檔獲得。仿真模型如圖7所示。傳導(dǎo)干擾仿真波形如圖8所示。搭建硬件電路,使用EMC300測(cè)得實(shí)際電路的傳導(dǎo)干擾模型如圖9所示。

圖5　反激式開(kāi)關(guān)電源電路原理圖圖

圖6　傳導(dǎo)干擾仿真波形

圖7　仿真電路模型圖

圖8　傳導(dǎo)干擾仿真波形

圖9　實(shí)際測(cè)試波形

由圖6和圖9對(duì)比可知,Saber軟件中元器件的模型與實(shí)際元器件的參數(shù)有一定的偏差,不能相對(duì)準(zhǔn)確的描述電路的實(shí)際性能。此外,PCB的布局布線(xiàn)也會(huì)對(duì)對(duì)電路的傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生影響。由圖8與圖9對(duì)比可知,建立仿真模型之后得到的傳導(dǎo)干擾仿真波形與實(shí)際測(cè)試模型更加接近。通過(guò)對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源的仿真分析以及與實(shí)際電路測(cè)試的對(duì)比,所建立的仿真模型與實(shí)際傳導(dǎo)干擾測(cè)試波形基本一致,能夠相對(duì)準(zhǔn)確的描述實(shí)際硬件電路的傳導(dǎo)干擾。

4　總結(jié)

開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾是影響電路性能的主要因素之一。若要通過(guò)建模準(zhǔn)確描述電路的傳導(dǎo)干擾,還需要進(jìn)一步的理論分析和實(shí)踐。文中所建立模型仿真波形與實(shí)際測(cè)試波形還有一定的差距,需要進(jìn)一步精確元器件的寄生參數(shù)以及實(shí)際硬件電路中可能存在的影響因素,例如焊接元器件與電路之間高度、各元器件之間的距離影響等因素。

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房媛媛(1988-),女,河北衡水人,碩士,研究方向?yàn)樾滦碗娮悠骷娮釉O(shè)計(jì)及應(yīng)用,lbimf_yuan@sina.cn;

秦會(huì)斌(1961-),男,山東人,教授,主要從事新型電子器件及ASIC設(shè)計(jì)、現(xiàn)代傳感器設(shè)計(jì)及應(yīng)用方向的研究,qhb@hdu.edu.cn。

SaberModelingandSimulationofConductedEMIinFlybackSwitchingPowerSupply

FANGYuanyuan,QINHuibin*

(Institute of Electron Device and Application,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:For the conducted EMI problem in flyback switching power supply is more serious,the flyback switching power supply works and the reasons of conducted EMI are analyzed.By using the Saber software simulation model is proposed to build,and the simulation waveforms of the conducted EMI is obtained.Test of the conduction EMI waveform of the hardware circuit and comparison with experimental results the method is verified.

Key words:switching power supply;conducted EMI;modeling;MOSFET

doi:EEACC:6230B;121010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.034

中圖分類(lèi)號(hào):TN97

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0958-04

收稿日期:2013-10-21修改日期:2013-11-09