反激式开关电源传导干扰的Saber建模仿真

房媛媛,秦会斌

(杭州电子科技大学新型电子器件研究所,杭州 310018)



反激式开关电源传导干扰的Saber建模仿真

房媛媛,秦会斌*

(杭州电子科技大学新型电子器件研究所,杭州 310018)

摘要:针对目前反激式开关电源传导干扰问题较为严重的现象,分析了反激式开关电源的工作原理以及电路产生传导干扰的原因。利用Saber软件建立了电路的传导干扰仿真模型,得到了电路的传导干扰仿真波形。通过软件仿真结果与硬件电路的传导干扰波形测试结果相对比,验证了模型的适用性。

关键词:开关电源;传导干扰;建模;MOSFET

反激式开关电源因其结构相对简单,省去了电感,体积大大缩小,同时也因输出稳定,效率高等优点被广泛应用于中小功率电源中[1-2]。但是随着开关电源的高频化,电磁干扰的问题日益突出[3]。目前人们对开关电源电磁干扰的已有一定理论认识,而实际电磁干扰会受到多种因素的影响,如电子元器件的自身参数、PCB布局布线以及周围设备的电磁辐射干扰等。传导干扰主要由于在高di/dt以及du/dt的情况下产生,快速变化的电压和电流产生高次谐波使电路的功能不稳定,也可能传播到电网对其他设备造成影响[3-4]。目前对传导干扰的抑制主要通过加入滤波器以及接地点合理地设置[6-7]。本文以单端反激式开关电源为例,通过分析电路中主要元器件对传导干扰的影响,建立了电路的集总参数模型。

1　反激式开关电源的工作原理

如图1所示,反激式开关电源的基本电路主要由输入电容Ci、变压器T1、功率开关管VT、整流二极管VD和输出电容Co组成。

图1　反激式开关电源基本电路

当VT导通时,变压器的初级绕组相当于电感,开始储存能量。此时,因为变压器初次级绕组同名端相反,所以整流二极管VD截止,输出电容Co反向充电,输出电流为零。

当VT截止时,次级侧整流二极管导通,变压器初级侧电流逐渐降到零,线圈释放储存能量,耦合到次级,从而得到输出电流。

根据功率开关管的输入波形占空比设计不同,变压器存储和释放能量的时间不同,可以将反激式开关电源工作模式分为两种:连续工作模式和断续工作模式。

2　电路产生传导干扰原因分析

反激式开关电源易产生传导干扰的元器件主要有:功率开关管、变压器以及电容。

2.1功率开关管的高频模型

功率开关管存在输出的寄生电容,传导干扰信号可以通过输出寄生电容传输到地线,从而和输出形成耦合通路,开关管的反向恢复二极管会形成尖峰脉冲对电路产生干扰。

Saber软件自带MOSFET高频模型以其造工艺为依据,考虑到:栅漏极之间的固定电容Cgdc和可变电Cgd;栅源级间的固定电容Cgsc和可变电容Cgs。级间的固定电容产生是由于栅极的绝缘氧化层以及栅源级的导电层。模型中存在可变电容是因为MOSFET中电子的往返运用于电容的充放电原理类似,将其等效成可变电容便于分析。Saber模型中还包含了MOSFET的寄生电感和电阻,具体模型如图2所示。

图2　Saber软件自带MOSFET高频模型

由图2可知,MOSFET的输入电容为Ci=Cgdc+Cgd+Cgsc+Cgs。而对于MOSFET的输出电容,即漏源级间的寄生电容并没有考虑。电路中的传导干扰通过输出电容Co传播到地线与输出形成回路,从而影响电路的正常工作。建立模型时需要在Saber自带模型的基础上添加MOSFET的输出电容Co。由于Co与开关管的漏源级之间的电子浓度、运功速率及方向有关,一般计算比较困难,通常由生产厂家提供的开关管的技术文档得到。

2.2变压器的等效结构

由于变压器的初级和次级是交互绕制,所以初级线圈和次级线圈之间会产生耦合电容,当电路中流过尖峰电流或电压时,电容会对电路产生干扰。此外,变压器中穿过初级线圈的磁通量不能全部穿过次级线圈,产生的漏磁通,从而使变压器存在漏感。根据变压器的绕制工艺不同,变压器的耦合电容与漏感的大小也随之不同。一般变压器的漏感会控制在3%～10%,绕制工艺精良的变压器,漏感可以降到更低。变压器的漏感可以通过测量得到。变压器的基本等效结构如图3所示。

图3　变压器基本等效结构图

平行板电容器的电容可表示为式(1)

(1)

可以将变压器的初次级线圈对应的截面积分成n份,每份为ΔS,则方程变为

(2)

从而得变压器的耦合电容CX为

(3)

2.3电容的高频等效模型

电容一般在反激式开关电源电路作为滤波和钳位作用。这里所说的电容主要是指电路的输入和输出滤波电容。由于电路工作频率较高,电容不在仅仅表现为容性,而是的向感性过渡。高频下,电容的等效电路如图4所示。

图4　电容的高频等效电路

其中,LS为电容的等效电感,ESR为电容的等效电阻。

3　电路Saber仿真与建模分析

3.1电路传导干扰仿真

本文利用Saber软件自带元器件模型,并对搭建了反激式开关电源电路进行了仿真,电路原理图如图5所示。电路的输入电压为220 V交流电,宽电压输入,变压器磁芯采用PQ26/25型号,开关管采用8N60,开关频率为50 kHz,得到输出电压为12 V,输出电流为5 A。传导仿真波形如图6所示。

3.2传导干扰建模仿真

通过前面对电路产生传导干扰原因的分析,建立了电路的传导干扰仿真模型。其中元器件的部分寄生参数可以通过查阅元件的使用文档获得。仿真模型如图7所示。传导干扰仿真波形如图8所示。搭建硬件电路,使用EMC300测得实际电路的传导干扰模型如图9所示。

图5　反激式开关电源电路原理图图

图6　传导干扰仿真波形

图7　仿真电路模型图

图8　传导干扰仿真波形

图9　实际测试波形

由图6和图9对比可知,Saber软件中元器件的模型与实际元器件的参数有一定的偏差,不能相对准确的描述电路的实际性能。此外,PCB的布局布线也会对对电路的传导干扰产生影响。由图8与图9对比可知,建立仿真模型之后得到的传导干扰仿真波形与实际测试模型更加接近。通过对反激式开关电源的仿真分析以及与实际电路测试的对比,所建立的仿真模型与实际传导干扰测试波形基本一致,能够相对准确的描述实际硬件电路的传导干扰。

4　总结

开关电源的传导干扰是影响电路性能的主要因素之一。若要通过建模准确描述电路的传导干扰,还需要进一步的理论分析和实践。文中所建立模型仿真波形与实际测试波形还有一定的差距,需要进一步精确元器件的寄生参数以及实际硬件电路中可能存在的影响因素,例如焊接元器件与电路之间高度、各元器件之间的距离影响等因素。

参考文献:

[1]蔡辰辰,陆元成,邱荣斌.反激式开关电源的变压器电磁兼容性设计[J].华东理工大学学报(自然科学版),2007,33(4):589-592.

[2]余凯,廖惜春.反激式开关稳压电源传导干扰研究[J].通信电源技术,2012,29(2):12-15,37.

[3]臧小杰,刘祥鹏.开关电源传导EMI预测方法研究[J].电气传动,2011,41(6):29-32.

[4]钱照明,程肇基.电力电子系统电磁兼容设计基础及干扰抑制技术[M].浙江大学出版社,2001.

[5]孟进,马伟明,张磊,等.开关电源变换器传导干扰分析及建模方法[J].中国电机工程学报,2005,25(3):49-54.

[6]Guo Yanjie,Wang Lifang,Liao Chenglin.Modeling and Analysis of Conducted Electromagnetic Interference in Electric Vehicle Power Supply System[J].Progress in Electromagnetics Research,2013,139:193-209.

[7]李一鸣,荣军.开关电源的电磁干扰技术仿真研究[J].湖南理工学院学报(自然科学报),2012,25(1):46-49.

[8]肖芳,孙力.功率变换器多开关状态下的传导电磁干扰预测[J].中国电机工程学报,2013,33(3):176-183.

[9]Vimala R,Baskaran K,Aravind Britto K R.Modeling and Filter Design through Analysis of Conducted EMI in Switching Power Converters[J].Journal of Power Electronics,2012,12(4):632-642.

房媛媛(1988-),女,河北衡水人,硕士,研究方向为新型电子器件电子设计及应用,lbimf_yuan@sina.cn;

秦会斌(1961-),男,山东人,教授,主要从事新型电子器件及ASIC设计、现代传感器设计及应用方向的研究,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

中图分类号:TN97

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0958-04

收稿日期:2013-10-21修改日期:2013-11-09