徐振邦,居水榮,席筱穎,陳國(guó)金

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214153)

PWM開關(guān)電源控制電路的抗電磁干擾設(shè)計(jì)*

徐振邦*,居水榮,席筱穎,陳國(guó)金

(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院微電子學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214153)

為提高開關(guān)電源控制電路的抗干擾性能,提出了3種設(shè)計(jì)方法。使開關(guān)電源控制電路工作在準(zhǔn)諧振模式,并且控制與之配套使用的開關(guān)管在谷底導(dǎo)通,從而降低導(dǎo)通電流的尖峰值;通過(guò)采用“變頻”技術(shù),將開關(guān)電源中的電壓和電流各次諧波的頻帶進(jìn)行展寬,以降低高次諧波的幅度;通過(guò)限制開關(guān)管的電流,降低電流紋波。采用0.25 μm 5 V/40 V BCD工藝設(shè)計(jì)了開關(guān)電源控制的電路SX1608,進(jìn)行流片和封裝測(cè)試,并將之應(yīng)用在實(shí)際的開關(guān)電源中,經(jīng)測(cè)試開關(guān)電源的電流紋波較小,抗電磁干擾能力較強(qiáng)。

集成電路設(shè)計(jì);開關(guān)電源控制電路;抗電磁干擾;準(zhǔn)諧振模式;谷底導(dǎo)通;“變頻”技術(shù)

集成電路的抗電磁干擾能力EMI(Electro Magnetic Interference)已經(jīng)成為衡量其性能水平的一個(gè)重要標(biāo)志,集成電路的抗干擾能力大小也決定了該電路的應(yīng)用范圍,尤其對(duì)于應(yīng)用在能源轉(zhuǎn)換方面的開關(guān)電源電路來(lái)說(shuō)。開關(guān)電源的核心是開關(guān)電源控制電路。

由于開關(guān)電源直接接在市電電網(wǎng)上,電源設(shè)備與電網(wǎng)之間存在雙向的電磁干擾;另外開關(guān)電源的使用條件通常較差,如汽車裝置等,因此在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中必須考慮抗電磁干擾問(wèn)題。開關(guān)電源中的抗電磁干擾設(shè)計(jì)通常包括兩部分,其中開關(guān)電源控制電路的抗干擾能力設(shè)計(jì)是重要的一部分;另外如果開關(guān)電源控制電路的抗干擾能力較弱,則必須通過(guò)復(fù)雜的外圍電路設(shè)計(jì)以提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

通過(guò)外圍電路提升整體開關(guān)電源抗干擾能力比較典型的方案是電網(wǎng)電源必須首先經(jīng)過(guò)抗電磁干擾的模塊,然后再進(jìn)行整流濾波。這些保護(hù)措施可以通過(guò)外圍電路的設(shè)計(jì)提升開關(guān)電源的抗電磁干擾能力,但這樣做會(huì)導(dǎo)致整個(gè)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)較復(fù)雜,需要增加很多外圍器件,從而造成整體開關(guān)電源成本的上升。因此為了節(jié)省整個(gè)開關(guān)電源的成本,作為其中核心部件的開關(guān)電源電路的抗干擾能力大小就顯得越來(lái)越重要。隨著人們對(duì)能源效率和環(huán)保的日趨關(guān)注,提高開關(guān)電源電路的抗電磁干擾能力已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。

本文所研究的開關(guān)電源控制電路SX1608是一種高性能反激式準(zhǔn)諧振控制器。在SX1608的設(shè)計(jì)中,采用了多種降低電磁干擾的方法。經(jīng)過(guò)多重抗電磁干擾設(shè)計(jì)后的SX1608的抗電磁干擾能力較好,可應(yīng)用監(jiān)視器/液晶電視/機(jī)頂盒電源,也可以用于各種交流/直流電源適配器和各種充電器等。

本文首先介紹SX1608的整體設(shè)計(jì)思想;接下去具體介紹提高SX1608抗電磁干擾能力的幾種方法;最后給出設(shè)計(jì)結(jié)論和實(shí)際測(cè)試結(jié)果。

1 SX1608的整體設(shè)計(jì)

1.1 SX1608整體框圖和管腳

圖1是SX1608的內(nèi)部功能框圖和典型應(yīng)用圖相結(jié)合的整體框圖。

圖1 SX1608的整體框圖

由圖1可以看出,本文所設(shè)計(jì)的PWM(Pulse Width Modulation)控制器SX1608包含以下功能模塊:

(1)供電及驅(qū)動(dòng)模塊包括內(nèi)部啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓、電流采樣器、誤差放大器、驅(qū)動(dòng)控制等子模塊;

(2)保護(hù)模塊包括過(guò)熱保護(hù)模塊(OTP)、過(guò)負(fù)載保護(hù)模塊(OLP)、過(guò)壓保護(hù)模塊(OVP)和過(guò)流保護(hù)等子模塊(OCP);

(3)多模式控制模塊包括反饋輸入(FB)模塊/多頻振蕩器、負(fù)載檢測(cè)模塊、零電流檢測(cè)電路、谷底檢測(cè)器(Valley Detector)、模式選擇電路等子模塊。

SX1608 PWM控制器的幾個(gè)最重要的管腳描述如下:

(1)反饋輸入端FB通過(guò)輸入到該腳的電平?jīng)Q定PWM的占空比;同時(shí)用于控制開關(guān)管的峰值電流;

(2)電流感應(yīng)輸入端CS(Current Sensing);

(3)MOS驅(qū)動(dòng)輸出端DRI。

1.2 SX1608工作原理

SX1608是一款電流模式PWM控制器。系統(tǒng)上電后,內(nèi)部啟動(dòng)電路給VDD端外接電容充電,VDD電壓上升到一定值時(shí),內(nèi)部電路開始工作,振蕩器也發(fā)出觸發(fā)信號(hào),負(fù)載檢測(cè)模塊檢測(cè)外部負(fù)載,模式選擇電路啟動(dòng),根據(jù)不同負(fù)載情況分別進(jìn)入不同工作模式。之后零電流檢測(cè)電路、谷底檢測(cè)器開始工作,符合條件時(shí),進(jìn)入準(zhǔn)諧振谷底開通模式,經(jīng)驅(qū)動(dòng)控制模塊開啟MOS管。線電壓給初級(jí)線圈電感充電,初級(jí)線圈電感電流線性上升。電感電流流經(jīng)MOS管,電流按比例鏡像后在內(nèi)部采樣電阻上產(chǎn)生采樣電壓,當(dāng)電感電流上升到使采樣電壓大于預(yù)先設(shè)定值時(shí),電流比較器翻轉(zhuǎn),并觸發(fā)內(nèi)部邏輯電路,關(guān)閉MOS管。當(dāng)振蕩器下一個(gè)周期來(lái)臨時(shí),MOS再次開啟。在經(jīng)過(guò)一系列工作周期后,輸出電壓開啟上升,內(nèi)部控制電路將輸出電壓與基準(zhǔn)參考電壓進(jìn)行比較放大,并將誤差放大信號(hào)通過(guò)光耦轉(zhuǎn)換成電流,通過(guò)FB端口注入電路內(nèi)部的反饋輸入模塊。當(dāng)輸出電壓升高,FB端口注入的電流增大,該電流在內(nèi)部電阻上產(chǎn)生的壓降增大,電流比較器翻轉(zhuǎn)使得初級(jí)線圈電感電流在內(nèi)部電阻上產(chǎn)生的壓降減小——即初級(jí)線圈電感電流減小,這樣傳輸?shù)酱渭?jí)的能量將減小,輸出電壓將降低,從而構(gòu)成一個(gè)負(fù)反饋的穩(wěn)定系統(tǒng)。反之,當(dāng)輸出電壓降低時(shí),負(fù)反饋系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)節(jié)FB端注入的電流,使輸入電壓升高,從而得到一個(gè)非常穩(wěn)定的輸出電壓。當(dāng)FB端注入的電流接近零時(shí),初級(jí)線圈電感電流將達(dá)到最大值。

1.3 SX1608的工作模式

SX1608在全輸入功率范圍和滿負(fù)載情況下可以達(dá)到高效率,包括以下幾種工作模式:

(1)在滿負(fù)載情況下,當(dāng)輸入功率較低時(shí),該IC工作在固定頻率CCM(Continuous Condition Mode)模式,該固定頻率Flow為50 kHz左右;而在輸入功率較高時(shí),工作在準(zhǔn)諧振模式,這時(shí)最低頻率鉗制在Flow;以上兩種模式都可以達(dá)到很高的效率。

(2)在正常負(fù)載情況下,該IC工作在準(zhǔn)諧振模式(Quasi-Resonant Mode)。為了減少開關(guān)損耗,準(zhǔn)諧振模式下的最高開關(guān)頻率要加以限制,本電路中鉗制在Fhigh,其值為90 kHz左右,符合EMI標(biāo)準(zhǔn)。

SX1608在QR模式,開關(guān)管在電源振蕩到第1個(gè)波谷處開通,開始下一個(gè)周期。關(guān)于這點(diǎn)將在下面作詳細(xì)分析。通過(guò)準(zhǔn)諧振工作模式,系統(tǒng)的開關(guān)損耗和EMI大大降低。

(3)當(dāng)負(fù)載降低時(shí),IC工作在PFM(Pulse Frequency Modulation)模式,以達(dá)到超過(guò)90%的功率轉(zhuǎn)換效率。IC根據(jù)負(fù)載來(lái)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率,且不斷降低;在PFM階段,谷底開關(guān)特性依舊存在,從而可以得到平滑的頻率變化曲線。

(4)當(dāng)負(fù)載很小或者空載時(shí),IC工作在綠色模式(Green Mode),用以降低待機(jī)功耗和開關(guān)損耗,提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)工作在綠色模式時(shí),開關(guān)頻率為Fgreen,值為20 kHz左右,并且不再降低。眾所周知20 kHz為音頻范圍,通過(guò)采用綠色模式,可以有效避免音頻噪聲的出現(xiàn)。

以上幾種模式可以圖2來(lái)表示。

圖2 SX1608的模式變化圖

由圖2可以看出,與傳統(tǒng)的基于某一個(gè)固定開關(guān)頻率的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器(Hard-switched Converter)相比,SX1608在負(fù)載變化時(shí)開關(guān)電源頻率可以平滑地變化,即體現(xiàn)了“軟折彎”的特點(diǎn),因此跟傳統(tǒng)開關(guān)電源相比大大降低了EMI。

2 準(zhǔn)諧振模式下的谷底開通

上面提到在準(zhǔn)諧振模式下開關(guān)管的谷底導(dǎo)通,下面作具體說(shuō)明。

在圖1中,VIN為直流輸入電壓;M1為開關(guān)管;CM為MOS管漏端電容,是MOS管的輸出電容、變壓器線圈的寄生電容等的總和;NP、NS分別為變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈匝數(shù),它們的電感量分別為L(zhǎng)P、LS,Lm為互感,用于將能量從初級(jí)傳遞到次級(jí);D為整流管;C為濾波電容;LPL為初級(jí)線圈的漏感,即無(wú)法通過(guò)耦合傳遞到次級(jí)的磁通量,其存儲(chǔ)的能力需通過(guò)其他的路徑釋放。存儲(chǔ)在漏感中的能量是開關(guān)管關(guān)斷產(chǎn)生尖峰的原因。以圖3來(lái)說(shuō)明準(zhǔn)諧振模式谷底導(dǎo)通的原理。

圖3 準(zhǔn)諧振模式谷底導(dǎo)通示意圖

由圖3可以看出,開關(guān)管一開始處于導(dǎo)通狀態(tài),形成初級(jí)電流,其峰值為IPP,然后在電流最大時(shí)關(guān)斷,在其關(guān)斷后,漏感LPL和開關(guān)管漏端電容CM組成的諧振回路產(chǎn)生過(guò)壓尖峰振蕩,形成圖3中所示的諧振區(qū)域一。

在諧振區(qū)域一中,開關(guān)管漏源電壓峰值可用式(1)表示,其中IP為流過(guò)變壓器初級(jí)線圈的直流。

(1)

開關(guān)管關(guān)斷后,變壓器互感能量通過(guò)導(dǎo)通的整流管D形成次級(jí)電流,其峰值為IPS,對(duì)濾波電容C充電,從而將能量傳遞到負(fù)載。在此過(guò)程中次級(jí)電流逐漸降低,當(dāng)接近為零時(shí),互感Lm和開關(guān)管漏端電容CM產(chǎn)生圖3中所示的諧振區(qū)域二。在這部分振蕩曲線中有A、B、C 3個(gè)點(diǎn),其中A點(diǎn)是開關(guān)管漏電電壓最低的點(diǎn),而C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的漏端電壓較高。

在諧振區(qū)域二中,開關(guān)管漏源電壓包括了式(2)所表示的直流分量VDDC和式(3)所表示的諧振分量VDQR兩部分,其中RP為變壓器初級(jí)線圈直流等效電阻,VZ為整流管D上的壓降。

(2)

(3)

當(dāng)開關(guān)管再次導(dǎo)通時(shí),可以選擇在其漏端電壓較低時(shí)導(dǎo)通,也可以選擇在其漏端電壓較高時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槁┒穗娙軨M通過(guò)開關(guān)管放電時(shí)會(huì)形成電流尖峰,如果開關(guān)管在其漏端電壓較高的點(diǎn)開啟,如圖3中的C點(diǎn),則將產(chǎn)生較大的開關(guān)噪聲,形成EMI干擾。反之,如果在開關(guān)管漏端電壓的第1個(gè)最小值A(chǔ)點(diǎn)(即谷底)使得開關(guān)管開通,那么導(dǎo)通的電流尖峰將會(huì)最小,從而大大降低整個(gè)開關(guān)電源的EMI。

圖3中開關(guān)管的導(dǎo)通和截止時(shí)間可分別用式(4)、式(5)表示。

(4)

(5)

通過(guò)以上分析可知,只有當(dāng)開關(guān)管在谷底開通時(shí),才能起到降低EMI的作用。那么如何能夠正確判斷開關(guān)管是否進(jìn)入谷底就顯得尤為重要。SX1608電路中采用了零電流檢測(cè)電路(ZCD)來(lái)優(yōu)化開關(guān)管的開通。該電路提供信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管在其漏端電壓差較低時(shí)進(jìn)入開通,即實(shí)現(xiàn)谷底導(dǎo)通。

SX1608中零電流檢測(cè)電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 優(yōu)化開關(guān)管導(dǎo)通的零檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)

3 變頻技術(shù)

從上面的分析可以看出,在開關(guān)電源實(shí)際的應(yīng)用中需要不斷地對(duì)線圈進(jìn)行充放電,這種電流沖擊的存在使得電磁干擾比較嚴(yán)重。研究表明,電流的紋波大小約為V/2Lfk,其中V為電壓,L為線圈電感,fk為開關(guān)頻率,可見電流紋波與電壓成正比。實(shí)際應(yīng)用中電源電壓不能太低,為了降低電磁干擾,開關(guān)頻率不能太低,即提高開關(guān)頻率可以降低電流紋波,但這樣會(huì)使開關(guān)損耗增加,能量轉(zhuǎn)換效率降低。因此開關(guān)頻率的選擇必須考慮諸多因素,并進(jìn)行折中。

另外由于開關(guān)電源系統(tǒng)中電感、電容的影響,開關(guān)電源控制電路在工作過(guò)程中會(huì)引入電流和電壓高次諧波分量,即頻譜上有峰值很高的噪聲頻帶存在,從而產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

降低開關(guān)電源控制電路電磁干擾的一種有效方法是采用“變頻”技術(shù),使得開關(guān)頻率不是固定的,而是在一定范圍內(nèi)變化,從而將開關(guān)電源中的電壓和電流的各次諧波的頻帶得到展寬。假如頻率變化范圍為Δf,那么在開關(guān)頻率變化范圍內(nèi),基波帶寬將展寬為Δf,二次諧波帶寬將展寬為2Δf,依此類推,n高次諧波帶寬將展寬為nΔf。在噪聲總能量不變的前提下,各次諧波的幅度得到降低,而高次諧波幅度降低則更為明顯,從而可以有效抑制系統(tǒng)的電磁干擾。

實(shí)現(xiàn)“變頻”技術(shù)的基礎(chǔ)是采用多頻振蕩器。圖5為SX1608中產(chǎn)生頻率的振蕩電路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 SX1608中的振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5中的C0電容其實(shí)是一組大小不同的電容,分別由不同的控制信號(hào)控制其是否接入振蕩器的充放電回路,這些控制信號(hào)由分頻電路產(chǎn)生。電容C0上充電后的電壓為Vc0,而固定的比較電壓Vref與Vc0進(jìn)行比較,從而形成振蕩。

定義該振蕩器的充電電流和放電電流分別為Tch、Tdch,則該振蕩器的充電周期Tch和放電周期Tdch可分別用式(6)、式(7)表示。

(6)

(7)

從而振蕩頻率和占空比分別可以用式(8)、式(9)表示:

(8)

(9)

通過(guò)改變電容,在充放電電流不變情況下可以調(diào)節(jié)頻率;而通過(guò)調(diào)節(jié)充放電回路上的充放電電流,可以改變占空比。

4 開關(guān)電流的控制

在開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中,為了降低電磁干擾和開關(guān)損耗,提高轉(zhuǎn)換效率,開關(guān)電流的控制是需要重點(diǎn)考慮的因素。

為了降低電磁干擾,同時(shí)減小開關(guān)損耗,提高轉(zhuǎn)換效率高,SX1608設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量減小開關(guān)管的關(guān)斷電流和負(fù)載電流。具體實(shí)現(xiàn)是采用電流采樣方式,并通過(guò)形成反饋,保持電流不超出設(shè)計(jì)規(guī)范。詳細(xì)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 SX1608中的電流采樣電路

圖8 SX1608整體仿真波形

在圖6中,VB是輸入偏置電壓,DRI是開關(guān)管輸出端,Ismp是采樣輸出電流,Ismp和流過(guò)開關(guān)管控制管P4的電流成比例關(guān)系。該模塊工作原理為:當(dāng)開關(guān)管控制管P4打開時(shí),P2和P3對(duì)輸出電流采樣,采樣電流在P2的溝道電阻上產(chǎn)生壓降。輸出電流增大時(shí),W3的電位下降導(dǎo)致W2的電位下降,由于P5和P6柵極電位相同,P6的源極電位(W2)下降使P6電流減小,導(dǎo)致W4電位下降,W4接到P7的柵極,使P7電流增大,使W1電位下降,導(dǎo)致P5電流下降,而N0為恒流源,P5的柵極電位將被拉低,即P6的柵極被拉低,P6電流增大,W4升高,使這個(gè)反饋環(huán)路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),從而限制了開關(guān)管電流。

通過(guò)以上電流采樣電路,使得開關(guān)電流受到限制,仿真波形如圖7所示。

圖7 限制開關(guān)電流的仿真波形圖

5 整體設(shè)計(jì)及實(shí)際測(cè)試結(jié)果

5.1 整體仿真波形

采用華潤(rùn)上華0.25 μm 5 V/40 V BCD工藝模型對(duì)SX1608進(jìn)行總體仿真,結(jié)果如圖8所示。圖8為針對(duì)較高帶寬時(shí)系統(tǒng)的仿真波形,其中列出了幾個(gè)主要信號(hào),包括輸入電壓信號(hào)、開關(guān)管漏極電源信號(hào)、輸出電壓信號(hào)、輸出電流和反饋電流信號(hào)等。在較高帶寬時(shí),系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)間變快,即在動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)響應(yīng)輸出變快,負(fù)載調(diào)整率也較好。

5.2 版圖設(shè)計(jì)

圖9為采用華潤(rùn)上華0.25 μm 5 V/40 V BCD工藝所設(shè)計(jì)的SX1608的整體版圖。

圖9 SX1608整體版圖

在版圖設(shè)計(jì)過(guò)程中,首先考慮一些關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì),包括高阻電阻和ESD限流電阻、PIP電容、對(duì)稱和非對(duì)稱的雙端自隔離高壓P/NMOS管、利用高壓三極管的EB結(jié)反偏電壓所形成的穩(wěn)壓二極管等。然后考慮整體版圖的布局,以做到各個(gè)模塊之間的相互隔離,還需要充分利用芯片面積。

5.3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

SX1608設(shè)計(jì)完成后經(jīng)過(guò)MPW多芯片流片,并進(jìn)行封裝、測(cè)試,功能和主要性能參數(shù)達(dá)到了預(yù)期的要求。將它應(yīng)用在一個(gè)5 V穩(wěn)定輸出的實(shí)際開關(guān)電源中,并進(jìn)行EMI測(cè)試,如圖10所示。結(jié)果表明,該電源的抗EMI能力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖10 采用SX1608作為控制電路的 開關(guān)電源EMI測(cè)試結(jié)果

將以上電源與作者所設(shè)計(jì)的采用傳統(tǒng)固定頻率開關(guān)電源控制電路的同樣5 V輸出的電源作電流紋波對(duì)比測(cè)試,結(jié)果如圖11所示,其中上圖為采用SX1608的電源,可見其電流紋波要小很多。

圖11 變頻與固定頻率開關(guān)電源的 電流紋波測(cè)試對(duì)比圖

6 結(jié)論

本文介紹了一種開關(guān)電源控制電路的抗電磁干擾設(shè)計(jì)方法。通過(guò)采用準(zhǔn)諧振技術(shù),使得與開關(guān)電源控制電路配套使用的開關(guān)管在其谷底導(dǎo)通;采用“變頻”技術(shù),將開關(guān)電源電壓和電流的各次諧波頻率擴(kuò)展,并降低其幅度;還包括通過(guò)選擇合適的開關(guān)電流等。通過(guò)以上設(shè)計(jì)手段,從而大大提高整體開關(guān)電源的抗電磁干擾能力;將以上設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用在實(shí)際電源以及微控制器芯片抗干擾設(shè)計(jì)中,實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明以上設(shè)計(jì)方法是行之有效的,可以為開關(guān)電源控制電路的抗電磁干擾設(shè)計(jì)提供一些參考。

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Anti-EMI Design for PWM Switched Mode Power Supply IC*

XUZhenbang*,JUShuirong,XIXiaoying,CHENGuojin

(Jiangsu College of Information Technology. Wuxi Jiangsu 214153,China)

Three design ways are presented for SMPS IC in order to improve its anti-EMI performance. The switched MOSFET is conducted at the first valley and the peak conductive current is reduced when Quasi-Resonant operation mode is adopted for SMPS IC. Bandwidths of each current and voltage harmonic of SMPS are extended through the adoption of frequency changeable techniques,and the amplitude of higher harmonics is cut down. The ripple wave of current is reduced through the adoption of limiting switched current. The controller SX1608 is implemented in 0.25 μm 5 V/40 V BCD process,and the test result shows that the anti-EMI performance is good,and the ripple wave of current is low.

integrated circuit design;switched mode power supply IC;anti-EMI;quasi-resonant operation;valley on;frequency changeable technique

項(xiàng)目來(lái)源:江蘇省教育廳項(xiàng)目(PPZY2015B190);江蘇省教育廳“青藍(lán)工程”科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目

2016-05-01 修改日期:2016-06-10

TN432

A

1005-9490(2017)03-0581-07

C:6230;5160

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.013