电子安全系统升压电路的传导电磁干扰建模方法

汪永斌,郑 松,康兴国

(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 710065)

0 引言

由于电子安全系统在升压过程中变压器输入回路开关的连续高速导通与截止,在导通与截止的瞬间,升压电路内部会产生非常大的电流变化,从而产生瞬时电流脉冲。当电路处于高频,电子安全系统的升压电路包含大量存在寄生参数的器件,瞬时电流脉冲作用在器件上时,会形成经过线路传导和辐射的电磁干扰[1]。为了保证引信电子安全系统能够在升压过程中避免电磁干扰,必须深入分析电磁干扰的产生机理和传导路径。

目前,对于电子安全系统电磁干扰开展的基础研究相对较少,在电子安全系统电磁特性研究方面,文献[2]在引信全电子安全系统研究过程中,发现由于高频变压器的使用使得电路中产生脉冲电磁干扰,提出采用MOSFET隔离驱动、新型变压器和电源隔离的方法来减小全电子安全系统电路脉冲电磁干扰,提高引信电磁兼容性。文献[3]提出了一种电子安全系统强静电场干扰下的单片机防护方法,利用ANSYS软件根据实际脉冲电流流经回路进行等效建模并仿真,给出在该静电场中单片机器件相对于高压储能电容的倾斜角度控制范围,为电子安全系统工作稳定性和安全性以及进一步小型化发展提供参考。在传导电磁干扰建模方面,文献[4]基于开关电源的电磁特性推导出共模传导电磁模型,分析了电磁干扰的产生原理和传导路径。文献[5]基于Buck电路的传导特性预估了电磁干扰噪声模型,基于模型分析了噪声源和传导路径。综上分析,国内外对电子安全系统升压电路电磁特性研究不深入,对系统的传导电磁建模方法的研究几乎空白,为了解决电磁传导干扰无法量化分析的问题,提出了一种电子安全系统升压电路传导电磁干扰建模和量化分析的方法。

1 升压电路的组成及传导干扰原理

1.1 升压电路的基本结构

本文选择研究的对象为典型电子安全系统升压电路[6],其拓扑结构如图1所示。

图1 电子安全系统升压电路拓扑结构图Fig.1 Topology of boost circuit for electronic safety system

电子安全系统升压电路主要包含了开关管、二极管、高压电容、驱动模块、变压器、储能电容和冲击雷管。在升压过程中,首先接通引信电源,在静态开关1和2检测到正常的发射信息后启动静态开关,变压器开始工作,将低压转化为高压,整流二极管整流后对高压电容器进行充电,控制电路随时检测充电情况,当达到预定的电压时,引信处于待发状态。在实际电子安全系统升压电路中,变压器模块与储能电容和二极管组成的高压回路之间通过线缆连接,该线缆会产生传导和辐射电磁干扰信号影响周边电路正常工作。

1.2 电磁传导干扰

电磁传导干扰的类型分为差模传导干扰和共模传导干扰[7],在实际电子安全系统升压电路中表现为差模电流和共模电流。差模电流是两根导线分别作为往返线路传输的电流,共模电流是两根导线同时作为去路,而把地作为返回路径传输的电流。如图2所示,L为相线,N为零线,差模电流Idm在两根导线上电流大小相等,方向一进一出正好相反,共模电流Icm在两根导线上电流大小和方向都相同,流过地的共模电流大小是流过两根导线的电流之和[8]。

图2 升压电路中的差模电流和共模电流Fig.2 Differential mode and common mode currents in a boost circuit

因此,流经导线L和N的电流大小表示式如下:

IL=0.5Icm+Idm,

(1)

IN=0.5Icm-Idm。

(2)

2 升压电路传导干扰建模及量化分析

升压电路中包含大量存在寄生参数的器件,这些器件对传导电磁干扰噪声的产生有很大关系,亟需对升压电路关键器件的寄生效应特性进行深入研究。在本文中,寄生效应特性即高频特性,因此,建立升压电路中电容、二极管和变压器等各关键器件的高频等效模型,是研究升压电路传导电磁干扰的基础。

2.1 电容高频等效电路建模

电子安全系统的电容主要是薄膜电容和电解电容两种,电容由两块极板及其中间的电介质构成。电容的高频寄生参数主要是极板和外部引线产生的寄生电感,导体极板和极板间的电介质产生的寄生电容。因此,电容的高频模型可以用如图3所示的RLC集总参数电路拓扑模型等效。

图3 电容的等效电路模型拓扑Fig.3 Equivalent circuit topology model of capacitor

根据RLC电路拓扑模型电容的阻抗表达式如下:

(3)

2.2 二极管高频等效电路建模

整流二极管是一种对电压具有整流作用的二极管,采用硅半导体制成,能承受较高的电压值,可以将交流电转化成直流电,应用于电子安全系统的起爆电路中。整流二极管的高频模型可以用如图4所示的RLC集总参数和理想二极管电路拓扑模型等效。

图4 二极管的等效电路模型拓扑Fig.4 Equivalent circuit topology model of diode

2.3 变压器高频等效电路建模

采用集总参数建模的方法对变压器进行建模,将实际变压器的激磁阻抗、漏阻抗和分布电容进行参数提取来建立其高频模型,进而建立变压器的高频等效模型。

2.3.1激磁阻抗高频等效电路建模

在升压电路的变压器工作过程中,变压器的初级线圈会产生激磁电流,激磁阻抗为初级线圈的电压除以激磁电流。激磁阻抗高频模型可以用如图5所示的RLC集总参数电路拓扑模型等效。

图5 激磁阻抗等效电路模型拓扑Fig.5 Topology model of the equivalent circuit of excitation impedance

根据RLC电路拓扑模型激磁阻抗ZM表达式如下:

(4)

2.3.2漏阻抗高频等效电路建模

由于升压电路变压器的对称结构,在变压器初级线圈和次级线圈左右端各有一对结构相同的漏阻抗高频等效模型,RLC的参数由于阻抗分配比例不同存在差异,漏阻抗高频模型可以用如图6所示的RLC集总参数电路拓扑模型等效。

图6 漏阻抗等效电路模型拓扑Fig.6 Leakage impedance equivalent circuit model topology

变压器线圈的漏阻抗ZL表达式如下:

(5)

2.3.3分布电容高频等效电路建模

由于升压电路变压器的结构是对称的,变压器初级线圈和次级线圈上下端各有两对结构相同的分布电容高频等效模型,RLC的参数由于阻抗分配比例不同存在差异,分布电容的高频模型可以用如图7所示的RLC集总参数电路拓扑模型等效。

图7 分布电容等效电路模型拓扑Fig.7 Distributed capacitance equivalent circuit model topology

变压器线圈的分布电容阻抗ZP的表达式如下:

(6)

对变压器的激磁阻抗、漏阻抗和分布电容进行建模,由于变压器的结构是对称的,可以建立如图8所示的变压器电路高频等效模型。

图8 变压器等效电路模型拓扑Fig.8 Transformer equivalent circuit model topology

2.4 传导干扰量化分析

对电子安全系统升压电路关键器件的高频等效电路建模,可以构建如图9所示的电子安全系统升压电路高频模型。基于模型可以深入分析电子安全系统升压电路电磁干扰的产生机理和传导路径。

图9 电子安全系统升压电路高频等效模型Fig.9 High-frequency equivalent model of the boost circuit of the electronic safety system

电子安全系统升压过程中需要变压器输入回路开关连续高速导通与截止,在导通与截止的瞬间,会产生差模电流和共模电流。共模电流的传导路径如图9中虚线所示,当开关管关断时,由于升压电路变压器存在寄生参数,共模电流会通过初级线圈传输到次级线圈上,其中一部分共模电流流经负载回到电源负端。同时一部分共模电流也会流经开关管的漏极、初次级线圈和储能电容与参考地之间的寄生电容回到电源负端。

差模电流的传导路径如图9中实线所示,当开关管导通时,初级线圈会产生较大幅度和变化率的电流,由于电源的输入电容并非理想的,当电流与存在着寄生参数的器件相互作用时会产生高频电压波纹,此时差模电流的噪声源相当于电压源。其中大部分电流沿着升压电路的负载端回路流动,同时也有部分差模电流沿着初级线圈一侧回到电源端。

3 仿真建模与测试验证

3.1 电路器件模型的验证

为了验证模型的正确性,在实际测试验证中,采用网络矢量阻抗分析仪(VNA)作为实测工具对电子安全系统升压电路的建模器件进行阻抗测量,获得器件的阻抗-频率关系曲线,并采用ADS软件选择合适的等效电路对阻抗-频率曲线进行拟合,获得器件的高频等效RLC电路参数。

3.1.1电容模型的验证

阻抗分析仪的测量夹具接在电容的两端得到电容的阻抗曲线,采用建立的电容等效电路模型对阻抗曲线进行拟合,获得电容的高频等效电路参数值如表1所示。对比仿真与实测的电容阻抗如图10所示,建立的电容模型可以真实反应电容的高频特性。

表1 电容高频等效电路模型参数值Tab.1 Parameter values of capacitor high-frequency equivalent circuit model

图10 电容阻抗测试与建模对比图Fig.10 Comparison of capacitor test and model

3.1.2二极管模型的验证

将二极管处于关断状态,阻抗分析仪的测量夹具接在二极管的两端得到二极管的阻抗曲线。采用建立的二极管等效电路模型对阻抗曲线进行拟合,获得二极管的高频等效电路参数值如表2所示。对比仿真与实测的二极管阻抗如图11所示,阻抗大小基本相同,可以反映二极管的高频特性。

表2 二极管高频等效电路模型参数值Tab.2 Diode high frequency equivalent circuit model parameter values

图11 二极管阻抗测试与建模对比图Fig.11 Comparison of diode test and model

3.1.3变压器模型的验证

选用电子安全系统中常见的一种变压器(型号:SDB0915A)进行验证分析,阻抗分析仪的测量夹具分别接在变压器的不同端得到激磁阻抗、漏阻抗和分布电容的阻抗曲线,并选择合适的等效电路对阻抗曲线进行拟合,获得变压器的高频等效电路的参数值,对比仿真与实测的激磁阻抗、漏阻抗和分布电容阻抗基本相同,可以反映变压器的高频特性。

1) 激磁阻抗模型的验证

将变压器的次级线圈3和4端开路,阻抗分析仪的测量夹具接初级线圈1和2端,由于激磁阻抗远大于初级和次级线圈的漏感,此时测量的阻抗为激磁阻抗,采用建立的激磁阻抗等效电路模型对阻抗曲线进行拟合,获得激磁阻抗的高频等效电路参数值如表3所示。激磁阻抗实测与仿真对比如图12所示。

表3 激磁阻抗高频等效电路模型参数值Tab.3 Parameter values of the high-frequency equivalent circuit model for excitation impedance

图12 激磁阻抗测试与建模对比图Fig.12 Comparison of excitation impedance test and model

2) 漏阻抗模型的验证

将变压器1,3,4端短路,阻抗分析仪的测量夹具接初级线圈1和2端,测量的阻抗为初级线圈漏阻抗的阻抗,将变压器1,2,3端短路,阻抗分析仪的测量夹具两端接3和4端,测量的阻抗为次级线圈漏阻抗的阻抗,实际测试和建模中,只测试初级线圈的阻抗,次级线圈的阻抗按照变压器匝数比分配参数值,可以获得如表4所示的漏阻抗模型的参数值。对比仿真与实测的漏阻抗的参数值,如图13所示,阻抗大小基本相同。

表4 漏阻抗高频等效电路模型参数值Tab.4 Leakage equivalent high frequency circuit model parameter values

图13 漏阻抗测试与建模对比图Fig.13 Leakage impedance test vs. model

3) 分布电容的模型验证

将变压器初级线圈1,2端,次级线圈3,4端短接,阻抗分析仪的测量夹具接1和3端测量的阻抗为分布电容,采用建立的分布电容等效电路模型对阻抗曲线进行拟合,可以获得分布电容的高频等效电路参数值如表5所示。如图14所示,分布电容的测试与建模曲线基本相同,可以反映变压器在实际工作过程中分布电容的高频特性。

表5 分布电容高频等效电路模型参数值Tab.5 Distributed capacitance high frequency equivalent circuit model parameter values

图14 分布电容测试与建模对比Fig.14 Comparison of distributed capacitance testing and model

3.2 升压电路传导干扰仿真与测试

3.2.1传导干扰噪声仿真与测试

基于升压电路高频等效电路模型,搭建电子安全系统升压电路样机,如图15所示。

图15 升压电路样机Fig.15 Physical diagram of the boost circuit

采用基于LISN原理的传导干扰仿真和测试方法,当电路处于正常工作频率0.3 MHz以内时,采用1 kHz占空比为50%的方波驱动电路工作,对传导电磁干扰噪声进行仿真和测试。

对比升压电路传导干扰噪声仿真与测试结果如图16所示,电子安全系统升压电路的高频等效模型预测的传导干扰噪声与实测基本吻合,可以反映实际电路的传导电磁干扰大小趋势。由于部分有源器件尚未建模和未考虑电路中的耦合干扰,预测的传导干扰噪声在部分频率点与实际测试效果存在误差,这部分问题尚待进一步解决以提高预估的准确率。

图16 传导干扰噪声仿真与测试对比Fig.16 Conducted interference noise simulation and test comparison

3.2.2基于Multisim电路的仿真与测试

采用Multisim电路仿真软件,基于图17所示的原理图,仿真电子安全系统升压电路模型线缆的传导干扰电压,并实际测试电子安全系统升压电路线缆的传导干扰电压,仿真与实测结果如图18、图19所示。

图17 电子安全系统升压电路测试原理图Fig.17 ESS boost circuit test schematic

图18 升压电路传导干扰仿真Fig.18 Conducted interference simulation of a boost circuit

图19 升压电路传导干扰测试Fig.19 Conducted interference test of a boost circuit

从图18、图19可看出,电子安全系统升压电路在正常工作时,模型仿真和实验测试的线缆传导干扰电压几乎一致,仿真模型的线缆传导干扰电压234 V左右,非常接近测试线缆传导干扰电压232 V。因此,升压电路传导干扰模型能够完成升压功能,并能真实反映升压过程中电路内部产生的电磁干扰特性,可准确对传导干扰进行量化计算。

4 结论

本文通过对电子安全系统升压电路的结构和电路中传导干扰的原理和传导路径进行分析,基于升压电路器件的物理结构,推导了其高频模型的表达式,通过测试和计算获取了电路中电容、二极管和变压器等关键器件的参数,建立了对应器件高频等效电路模型,进而建立了升压电路的传导干扰模型并开展了仿真计算和测试验证。试验和仿真结果表明:传导干扰模型能够真实反映升压过程中电路内部产生的电磁干扰特性,并可准确对传导干扰进行量化计算。