鮑敬源 崔 楊 王碩威 邱紫敬

（1．海軍駐中國艦船研究設(shè)計中心軍事代表室 武漢 430064）（2．中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）（3．中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所 武漢 430061）

1 引言

開關(guān)電源是一種電能轉(zhuǎn)換裝置，具備質(zhì)量輕、體積小、可靠性好、功耗低等優(yōu)點。其電源效率比傳統(tǒng)的線性電源提高了一倍。開關(guān)電源中功率開關(guān)管的高速開關(guān)動作（從幾十千赫到數(shù)兆赫）形成了電磁干擾源，其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產(chǎn)生很強的尖峰干擾和諧振干擾。在開關(guān)電源中主要存在的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場輻射干擾，傳導(dǎo)干擾會注入電網(wǎng)，這些干擾嚴重污染了電網(wǎng)，影響了鄰近電子設(shè)備的正常工作。開關(guān)器件在開關(guān)的瞬間會產(chǎn)生較大的尖峰電壓和電流，并通過電路元器件的寄生參數(shù)在電路中形成差模傳導(dǎo)干擾和共模傳導(dǎo)干擾［1～5］。

本文介紹了線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的模型，分析了充電電源的差模干擾和共模干擾的傳導(dǎo)模型，并在Saber軟件中對充電電源主電路進行了傳導(dǎo)干擾建模和仿真分析。

2 線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)建模

在對開關(guān)電源進行傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射測試時，在電源的輸入端會連接一個電源線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（Line Impedance Stabilization Network，LISN）［6］。一般來說，LISN既可以防止電網(wǎng)對電源的干擾，又可以防止電源對電網(wǎng)的干擾，同時在進行傳導(dǎo)干擾測試時可以為EMI接收機提供一個穩(wěn)定的歸一化阻抗，標(biāo)準為50Ω。

如圖1所示，在LISN 輸入端，50μH 的電感用于防止電網(wǎng)的噪聲干擾電源和EMI接收機，50Ω的電阻上的電壓V1和V2分別表示L 線和N 線的干擾電壓，差模噪聲VDM和共模噪聲VCM分別表示為［7］：

圖1 線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的仿真模型

圖2 共模和差模噪聲傳播路徑

如圖2所示，差模干擾指電流iDM在相線和中線之間流動形成的噪聲，共模噪聲指iCM電流在相線或中線與地線之間流動所形成的干擾［8］。差模噪聲主要由di／dt引起，EMI干擾源主要通過電源元器件的寄生參數(shù)和PCB 的寄生參數(shù)傳導(dǎo)；而共模噪聲主要由du／dt引起的，主要通過器件間的雜散電容傳播。

3 車載充電電源的共模和差模噪聲的高頻電路模型

根據(jù)以上幾節(jié)討論的元器件高頻模型，可以得到開關(guān)電源boost PFC 電路到半橋式拓撲變換器兩級的共模和差模干擾［9］電路模型。圖3給出了開關(guān)電源的共模傳導(dǎo)干擾的傳播路徑，CP1為boost電路中開關(guān)管與散熱器之間的雜散電容，共模傳導(dǎo)電流當(dāng)三極管導(dǎo)通時，CP1放電，當(dāng)三極管關(guān)斷時，CP1充電。共模傳導(dǎo)電流的大小與電容CP1和漏源極電壓變化率成正比。而當(dāng)開關(guān)管開通和關(guān)斷的瞬間，電壓變化率非常大，再由于電路中的寄生參數(shù)作用，開關(guān)瞬間容易造成阻尼振蕩［10～11］。同樣地，CP2、CP3、CP4和CP5分別是半橋式DC-DC變換器中的三極管以及二極管對散熱器的雜散電容。共模電流從LISN 出發(fā)，經(jīng)過Boost的雜散電容、半橋式變換器一次側(cè)的雜散電容以及變壓器二次側(cè)的雜散電容流入大地最后回到LISN，形成共模傳導(dǎo)干擾回路。

圖3 CM 噪聲傳播路徑

圖4 DM 噪聲傳播路徑

圖4給出了充電電源的差模干擾電流的傳播路徑，差模干擾主要跟電路中的元器件寄生參數(shù)和PCB走線的寄生參數(shù)有關(guān)，差模電流由L 線經(jīng)電路中元器件及PCB走線回到N 線。

4 車載充電電源主電路的傳導(dǎo)干擾仿真及結(jié)果分析

4．1 傳導(dǎo)干擾仿真電路

根據(jù)以上元器件的高頻模型，組建了開關(guān)電源的傳導(dǎo)干擾仿真電路，如圖5所示。車載充電電源的交流輸入為220V，經(jīng)兩級Boost PFC 和半橋DC-DC電路后，輸出為72V 直流。工作在CCM 模式，兩級電路的開關(guān)管工作頻率均為50kHz。

我們采用Saber軟件進行傳導(dǎo)干擾仿真，Saber軟件是Synopoys公司開發(fā)的EDA 設(shè)計軟件，是一款先進的系統(tǒng)級仿真軟件，可以為汽車電子、航空航天、通信系統(tǒng)提供系統(tǒng)仿真。本節(jié)將利用Saber軟件對充電電源的傳導(dǎo)干擾電路模型進行仿真分析，其中包含了LISN和各元器件的寄生參數(shù)以及開關(guān)管對地的寄生參數(shù)。在Saber中對電路進行瞬態(tài)分析，再通過波形計算器對波形進行FFT 計算得到輸入線、差模干擾和共模干擾的頻譜圖。

4．2 傳導(dǎo)干擾仿真分析

以下四種情況都是對LISN 的兩個電阻進行瞬態(tài)仿真，仿真時長為30ms，步長為10ns，截斷誤差為0．1μ。在對時域結(jié)果進行FFT 變換時，頻段取為450kHz～30MHz。

圖5 車載充電電源的傳導(dǎo)干擾仿真電路

第一種情況，采用理想元器件，不加任何寄生參數(shù)，圖6和圖7分別表示理想狀態(tài)下的共模傳導(dǎo)干擾和差模傳導(dǎo)干擾頻譜，可見，在450kHz～30MHz內(nèi)，干擾頻譜在0dBμV 以下，干擾值非常小。

圖6 理想情況下的共模傳導(dǎo)干擾頻譜圖

圖7 理想情況下的差模傳導(dǎo)干擾頻譜圖

第二種情況，當(dāng)增加元器件寄生參數(shù)時，包括元器件的高頻模型和PCB 走線的寄生參數(shù)，此時，共模和差模傳導(dǎo)干擾頻譜圖如圖8和圖9所示。差模傳導(dǎo)干擾在整個頻段內(nèi)上升了60dBμV～70dBμV，共模干擾上升了30dBμV。證明在考慮元器件的寄生參數(shù)時，差模干擾起主導(dǎo)作用。

圖8 加元器件寄生參數(shù)時的共模傳導(dǎo)干擾頻譜圖

圖9 加元器件寄生參數(shù)時的差模傳導(dǎo)干擾頻譜圖

第三種情況，當(dāng)同時考慮元器件的寄生參數(shù)和開關(guān)管漏極與散熱器之間的分布電容時，圖10和圖11分別表示共模干擾和差模干擾的頻譜圖，此時共模干擾頻譜都有大幅度的上升，共模干擾占主要作用，主要通過開關(guān)管對地的電容傳導(dǎo)至電源線上。驗證了共模干擾是通過電源線和大地形成的干擾回路。

第四種情況，在輸入線上加一個EMI濾波器。濾波器如圖12所示，設(shè)置如下：共模電感L＝9．07mH，差模電容Cy＝470nF，共模電容Cx＝0．01μF。

可見，當(dāng)在輸入線上增加EMI濾波器時，共模和差模干擾有顯著下降，如圖13和圖14，證明了在輸入線上增加輸入濾波器是有效降低傳導(dǎo)干擾的方法。

圖10 加元器件寄生參數(shù)和對地電容時的共模傳導(dǎo)干擾頻譜圖

圖11 加元器件寄生參數(shù)和對地電容時的差模傳導(dǎo)干擾頻譜圖

圖12 輸入濾波器的電路圖

圖13 加輸入濾波器時的共模傳導(dǎo)干擾頻譜圖

5 結(jié)語

圖14 加輸入濾波器時的差模傳導(dǎo)干擾頻譜圖

本文以Boost PFC和DC-DC開關(guān)電源主電路為研究對象，介紹了電路元器件的高頻模型和線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)的電路模型，介紹了共模和差模電壓的計算方法，并根據(jù)開關(guān)電路的原理圖分析得出了其共模和差模干擾的傳播路徑。在Saber軟件中進行瞬態(tài)仿真分析，利用波形計算器對時域結(jié)果進行FFT 變換，得到共模和差模傳導(dǎo)干擾的頻域波形。分四種情況對電路的傳導(dǎo)干擾進行討論，驗證了共模傳導(dǎo)干擾主要是通過有源器件對地的雜散電容傳播干擾，差模傳導(dǎo)干擾主要是通過元器件的寄生參數(shù)和PCB 走線的寄生參數(shù)傳播的，并證明了輸入濾波器能有效降低電路的傳導(dǎo)干擾。

［1］Dongbing Zhang，Dan Chen，Dan Stable．Non-intrinsic Differential Mode Caused by Ground Current in an Offline Supply［C］／／IEEE PESC'98，1998：1131-1133．

［2］M．Chiado Caponet，F(xiàn)．Profumo，L．Ferraris，et al．Common and Differential Mode Noise Separation：Comparison of two Different Approaches［C］／／IEEE PESC'01，2001．

［3］Xiaoming Ye，David．M．Hockanson．A Common-Mode Current Measurement Technique for EMI Performance Evaluation of PCB Structures ［C］／／CEEM'2000：389-393．

［4］Georg Sauerlaender，Thomas Duerbaum．Common Mode Noise generated by Magnetic Components-Experimental Test Set-up and Measurement Results ［C］／／IEEE PESC'2000：911-915．

［5］馬偉明，張磊，孟進．獨立電力系統(tǒng)及其電力電子裝置的電磁兼容［M］．北京：科學(xué)出版社，2007．

［6］路宏敏，余志勇，李萬玉．工程電磁兼容［M］．第二版．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2010．

［7］楊光．高頻開關(guān)電源的EMI建模與仿真研究［D］．北京：北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008．

［8］Clayton R．Paul．Introduction to Electromagnetic Compatibility（2nd edition）［M］．New Jersey：John Wiley ＆Sons，Inc，2006．

［9］和軍平，姜建國，陳為．離線式PWM 變換器傳導(dǎo)電磁干擾傳播通道研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2004，19（4）：56-60．

［10］孟進，馬偉明，張磊，等．帶整流橋輸入的開關(guān)電源差模干擾特性分析［J］．電力電子技術(shù)，2006，21（8）：14-18．

［11］袁義生．功率變換器電磁干擾的建模［D］．杭州：浙江大學(xué)博士論文，2002．