一种Buck电路的电磁兼容分析

冯德虎, 史永胜, 赵慧荣

(1.陕西工业职业技术学院机电学院, 陕西 咸阳 712000; 2.陕西科技大学电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

0 引 言

开关电源用半导体功率器件作为开关，通过改变开/关的时间比来控制输出电压的大小,其基本构成如图1所示.在开关元件通断前后产生了大幅度的电压和电流跳变，因而会产生很大的电磁干扰.开关电源工作在几十kHz到1 MHz的开关频率，高频的通断状态下产生的电磁干扰(EMI)通过传输通道耦合到系统内外，对系统内外的敏感设备造成了危害，导致系统的电磁兼容性能下降.主要骚扰源的研究是实现电磁兼容设计的关键,在产品设计初期利用电子软件找到其主要骚扰途径，将干扰程度降低到最低，可大大缩短产品的设计周期.本文在Saber中建立了开关电源DC-DC变换电路Buck电路的仿真模型，研究分析了各支路电流的时域和频域特性，找出了其主要骚扰途径，实现了其EMC设计.

图1 开关电源的基本构成

1 Saber软件介绍

Saber仿真软件是美国Analogy公司开发的功能强大的电力电子系统仿真软件之一，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、水力、控制等领域的系统设计和仿真.

Saber的分析功能是比较强的，主要有5种：(1)DC analysis(直流分析)，用于计算设计的工作点；(2)Transient(瞬态分析)，分析确定系统的时域响应；(3)AC(频响分析)，分析系统随频率变化的响应特性；(4)Fourier和FFT(傅里叶和快速傅里叶变换分析)，将时域波形变换成频谱；(5)IFFT(反快速傅里叶变换分析)，将频域波形变换成时域波形.

图2 Buck 电路图

2 Buck电路仿真

降压式(Buck)DC-DC变换器是构成包括开关电源等电力电子装置的重要电路，本文研究的Buck等效电路如图2所示，以占空比D工作的脉冲信号和转换开关代替场效应管与二极管D、电感L、电容C、电阻R组成Buck变换电路.当开关管导通时，有电流is=iL流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，在负载R上流过电流i0，两端输出电压V0，极性为上正下负.当is>i0时，电容在充电状态,这时二极管D1承受反向电压.经时间DTs后(D=ton/Ts，ton为开关导通时间，Ts为周期)，当开关管截止时，线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流不变.负载R两端的电压仍是上正下负.在iL

输入直流电源Ui设为10 V，脉冲信号源幅度Us=5 V，上升时间Tμ=0.1 ns，下降时间TF=0.1 ns,脉冲宽度PW=1 ns,周期PER=2 μs.

图3 脉冲信号上的电压电流 图4 直流电源上的电压电流

图5(a) 电阻上的电流电压 图5(b) 电容上的电流电压

图5(c) 电感上的电流电压 图5(d) 二极管两端的电流电压

3 结果与分析

分析以上各支路的电流频谱可以得到以下结果(如图3～图5所示)：

(1)在降压式(Buck)DC-DC变换电路导通瞬间，流经电感、电容、二极管的电流明显比流经电阻的电流大很多，在分析此电路的电流辐射场时，可以把电感、电容、二极管支路电流作为主要辐射源.

(2)电感、电容、二极管支路电流在时间t=153.06 μs时出现较大峰值.在相同的频率下，它们的电流幅值近似相等，可以认为它们在t=153.06 μs时刻组成了一个高频电流环路.

(3)电感、电容、二极管支路电流从时间t=326.81 μs开始在零值上下波动，电阻支路电流从时间t=2.397 3 ms在0.628 45 A左右波动，可以认为在时间t=326.81 μs后电路的主要骚扰源来自于电阻，而电阻中的电流仅有0.628 45 A，它带来的电磁骚扰可以忽略不计,因此我们在进行此电路的电磁兼容设计时主要考虑时间0～326.81 μs的电磁干扰.

4 结束语

电子电路的EMI分析是一门边缘性的学科，涉及到的学科很广泛，值得深入研究的问题也很多.本文通过在Saber中建立DC-DC变换电路Buck电路的仿真模型，进行了支路电流信号的时域分析，发现了电路的主要骚扰源和骚扰途径，可在产品设计前将电磁骚扰程度降低到最低，降低产品的研发成本.

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