房媛媛,秦會斌

(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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反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾的Saber建模仿真

房媛媛,秦會斌*

(杭州電子科技大學(xué)新型電子器件研究所,杭州 310018)

摘要:針對目前反激式開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾問題較為嚴(yán)重的現(xiàn)象,分析了反激式開關(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。通過軟件仿真結(jié)果與硬件電路的傳導(dǎo)干擾波形測試結(jié)果相對比,驗證了模型的適用性。

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

反激式開關(guān)電源因其結(jié)構(gòu)相對簡單,省去了電感,體積大大縮小,同時也因輸出穩(wěn)定,效率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于中小功率電源中[1-2]。但是隨著開關(guān)電源的高頻化,電磁干擾的問題日益突出[3]。目前人們對開關(guān)電源電磁干擾的已有一定理論認(rèn)識,而實際電磁干擾會受到多種因素的影響,如電子元器件的自身參數(shù)、PCB布局布線以及周圍設(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)對其他設(shè)備造成影響[3-4]。目前對傳導(dǎo)干擾的抑制主要通過加入濾波器以及接地點合理地設(shè)置[6-7]。本文以單端反激式開關(guān)電源為例,通過分析電路中主要元器件對傳導(dǎo)干擾的影響,建立了電路的集總參數(shù)模型。

1　反激式開關(guān)電源的工作原理

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

圖1　反激式開關(guān)電源基本電路

當(dāng)VT導(dǎo)通時,變壓器的初級繞組相當(dāng)于電感,開始儲存能量。此時,因為變壓器初次級繞組同名端相反,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,次級側(cè)整流二極管導(dǎo)通,變壓器初級側(cè)電流逐漸降到零,線圈釋放儲存能量,耦合到次級,從而得到輸出電流。

根據(jù)功率開關(guān)管的輸入波形占空比設(shè)計不同,變壓器存儲和釋放能量的時間不同,可以將反激式開關(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

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

2.1功率開關(guān)管的高頻模型

功率開關(guān)管存在輸出的寄生電容,傳導(dǎo)干擾信號可以通過輸出寄生電容傳輸?shù)降鼐€,從而和輸出形成耦合通路,開關(guān)管的反向恢復(fù)二極管會形成尖峰脈沖對電路產(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;柵源級間的固定電容Cgsc和可變電容Cgs。級間的固定電容產(chǎn)生是由于柵極的絕緣氧化層以及柵源級的導(dǎo)電層。模型中存在可變電容是因為MOSFET中電子的往返運用于電容的充放電原理類似,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。而對于MOSFET的輸出電容,即漏源級間的寄生電容并沒有考慮。電路中的傳導(dǎo)干擾通過輸出電容Co傳播到地線與輸出形成回路,從而影響電路的正常工作。建立模型時需要在Saber自帶模型的基礎(chǔ)上添加MOSFET的輸出電容Co。由于Co與開關(guān)管的漏源級之間的電子濃度、運功速率及方向有關(guān),一般計算比較困難,通常由生產(chǎn)廠家提供的開關(guān)管的技術(shù)文檔得到。

2.2變壓器的等效結(jié)構(gòu)

由于變壓器的初級和次級是交互繞制,所以初級線圈和次級線圈之間會產(chǎn)生耦合電容,當(dāng)電路中流過尖峰電流或電壓時,電容會對電路產(chǎn)生干擾。此外,變壓器中穿過初級線圈的磁通量不能全部穿過次級線圈,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測量得到。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線圈對應(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關(guān)電源電路作為濾波和鉗位作用。這里所說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,并對搭建了反激式開關(guān)電源電路進行了仿真,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,開關(guān)管采用8N60,開關(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

通過前面對電路產(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測得實際電路的傳導(dǎo)干擾模型如圖9所示。

圖5　反激式開關(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　實際測試波形

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

4　總結(jié)

開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾是影響電路性能的主要因素之一。若要通過建模準(zhǔn)確描述電路的傳導(dǎo)干擾,還需要進一步的理論分析和實踐。文中所建立模型仿真波形與實際測試波形還有一定的差距,需要進一步精確元器件的寄生參數(shù)以及實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,研究方向為新型電子器件電子設(shè)計及應(yīng)用,lbimf_yuan@sina.cn;

秦會斌(1961-),男,山東人,教授,主要從事新型電子器件及ASIC設(shè)計、現(xiàn)代傳感器設(shè)計及應(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

中圖分類號:TN97

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0958-04

收稿日期:2013-10-21修改日期:2013-11-09