如何用pspice 设置带干扰电源干扰

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-03-01 14:51 标签： 电源干扰

原标题：开关电源干扰传导EMI预测方法研究汇科宏业

开关电源干扰设计阶段应考虑的EMC问题介绍了PCB及其结构寄生参数提取和频域仿真的方法，在开关电源干扰设计阶段对其傳导EMI进行预测定位开关电源干扰传导EMI传播路径的影响因素，在此基础上给出开关电源干扰PCB及其结构设计的基本原则对开关电源干扰EMI预測过程中需要注意的问题以及降低开关电源干扰传导EMI的方法策略进行了分析和总结。

随着开关频率的提高以及功率密度的增加开关电源幹扰内部的电磁环境越来越复杂，其电磁兼容问题成为电源干扰设计中的一大重点同时也成为电源干扰设计工作的一大难点。常规设计方法中依靠经验设计处理EMC问题，样机建立完毕之后才能对EMC问题做最后的考虑传统的EMC的补救办法只能增加额外的元器件，而增加元件有鈳能影响原始的控制环带宽造成重新设计整个系统的最坏情况，增加了设计成本为了避免出现这样的情况，需要在设计过程中考虑EMC的問题对开关电源干扰的EMI进行一定精度的分析和预测，并根据干扰产生的机理及其在各频带的分布情况改进设计降低EMI水平，从而降低设計成本

开关电源干扰EMI特点及分类

对开关电源干扰传导电磁干扰进行预测，首先需要明确其产生机理以及噪声源的各项特性由于功率开關管的高速开关动作，其电压和电流变化率都很高上升沿和下降沿包含了丰富的高次谐波，所以产生的电磁干扰强度大；开关电源干扰嘚电磁干扰主要集中在二极管、功率开关器件以及与其相连的散热器和高频变压器附近；由于开关管的开关频率从几十kHz到几MHz所以开关电源干扰的干扰形式主要是传导干扰和近场干扰。其中传导干扰会通过噪声传播路径注入电网，干扰接入电网的其他设备

开关电源干扰傳导干扰分为2大类。

1）差模（DM）干扰DM 噪声主要由di/dt引起，通过寄生电感电阻在火线和零线之间的回路中传播，在两根线之间产生电流Idm鈈与地线构成回路。

2）共模（CM）干扰CM 噪声主要由dv/dt引起，通过PCB的杂散电容在两条电源干扰线与地的回路中传播干扰侵入线路和地之间，幹扰电流在两条线上各流过二分之一以地为公共回路；在实际电路中由于线路阻抗不平衡，使共模信号干扰会转化为不易消除的串扰干擾

开关电源干扰EMI的仿真分析

从理论上来讲，无论是时域仿真还是频域仿真只要建立了合理的分析模型，其仿真结果都能正确反映系统嘚EMI量化程度

时域仿真方法需要建立变换器中包含所有元件参数的电路模型，利用PSPICE或Saber软件进行仿真分析使用快速傅里叶分析工具得到EMI的頻谱波形，这种方法在DM 噪声的分析中已经得到了验证然而开关电源干扰中的非线性元件如MOSFET，IGBT 等半导体器件其非线性特性和杂散参数使模型非常复杂，同时开关电源干扰电路工作时其电路拓扑结构不断改变导致了仿真中出现不收敛的问题。在研究CM 噪声时必须包含所有嘚寄生元件参数，由于寄生参数的影响FFT结果和实验结果很难吻合；开关功率变换器通常工作在很大的时间常数范围内，主要包括3组时间瑺数：与输出端的基本频率有关的时间常数（几十ms）；与开关元件的开关频率有关的时间常数（几十μｓ）；与开关元件导通或关断时的上升时间和下降时间有关的时间常数（几ns）

正因如此，在时域仿真中必须使用非常小的计算步长，并且需要用很长时间才能完成计算；另外时域方法得到的结果往往不能清晰地分析电路中各个变量对干扰的影响，不能深层解释开关电源干扰的EMI行为而且缺乏对EMI机理的判断，不能为降低EMI给出明确的解决方案

频域仿真是基于噪声源和传播途径阻抗模型基础上的分析方法。利用LISN为噪声源提供标准负载阻抗如图1所示，从LISN看过去整个系统可以简化成噪声源、噪声路径和噪声接收器（LISN）。频域方法可以大大降低仿真计算的时间一般不会出現计算结果不收敛的情况。

图1 噪声源与传播路径概念

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2010年第 23卷第 6期Electronic Sci 2河北省清河县电力局 輸变电工区,河北 邢台054800 摘 要 分析了一种典型的开关电源干扰电路, 利用 Pspice软件对其传导电磁干扰进行仿真研究, 以 TDK 公司提供的元器件模型, 提出了一種二阶无源 EM I滤波器, 完全消除了电路输出信号中的尖峰干扰, 抑制了开关电源干扰电路中的共模、差模噪声同时, 广泛应用于工业、国防、家鼡电器等各个领域。然而,开关电源干扰中功率半导体器件的高 速通断及整流二极管反向恢复电流产生了较高的 du /dt和 di /dt, 它们产生的尖峰电压和浪湧电流成为开关电源干扰的主要干扰源文中给出的电源干扰滤波器元件主要基于 TDK公司提供的模型,该模型考虑了元件的 高频寄生参数,更符匼工程应用。1 开关电源干扰 EM I产生机理11 开关电源干扰的电磁干扰源 1开关管产生干扰开关管导通时由于开通时间很短及回路中存在引线电感, 將产生较大的 du /dt和较高的尖峰电压。开关管关断时间很短,也将产生 较大的 di /dt和较高的尖峰电流, 其频带较宽而且谐波丰富, 通过开关管的输入输出線传播出去形成传导干扰; 2整流二极管反向恢复电流引起的噪声干扰由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用,二极管导通角变小,输叺电流成为一个时间很短,而峰值很高的尖峰电流,含有丰富的谐波分量,对其他器件产生干扰。二级滤波二极管由导通到关断时存在一个反向恢复时间因而,在反向恢复过程中由于二极管封装电感及引线电感的存在,将产生一个反向电压尖峰,同时产生反向恢复尖峰电流,形成干扰源; 3高频变压器引起 EM I问题。隔离变压器初、次级之间存在寄生电容, 这样高频干扰信号很容易通过寄生电容耦合到次级电路, 同时由于绕制工艺问題在初、次级出现漏感将产生电磁辐射干扰另外, 功率变压器电感线圈中流过脉冲电流而产生电磁辐射,而且在负载切换时会形成电压尖峰; 4②次整流回路干扰。开关电源干扰工作时二次整流二极管、变压器次级线圈和滤波电容形成高频回路,向空间辐射噪声; 5元器件寄生参数引起嘚噪声主要是开关管与散热片、变压器初、次级的分布电容及其漏感形成的干扰。67电子 电路冯艳斌, 等 开关电源干扰 EM I滤波器设计12 共模、差模传导干扰路径 共模干扰主要为相、中线干扰电流通过 M1漏极与散热片之间的耦合电容通过接地线形成回路,差模 干扰则在相线与中线间形成囙路,干扰路径如图 1所示[ 1]图 1 直流变换式他激单边型开关电源干扰电路参阅资料对比发现, 如果将设计的 EM I滤波器置于电网电源干扰与 L isn之间,可以濾除来自交流电网 的传导性性电磁干扰[ 2- 3], 但是并没有考虑开关电源干扰电路中的传导性共、差模电磁干扰和输出信号中的强尖峰干扰。因此, 囿必要在开关电源干扰输出端添加 EM I 滤波器用来进行干扰抑制, 如图 2即文中提出的开关电源干扰相对应的二阶无源 EM I滤波器结构其中,开关电源幹扰输出为 DC 30V 1 。图 2 3所示,开关电源干扰输出电压信号经过 EM I 滤波器后几乎没有衰减,对图 3局部放大如图 4所示输出信号尖峰干扰完全滤除, 同时由于該滤波器元器件采用 TDK模型,均考虑了元件高频寄生参数 的影响,因而更贴近实际的工程应用。一般开关电源干扰设计中在变压器次级都有尖峰抑制器[ 2], 但输出纹波电压稍大, 若去除尖峰抑制器直接使用该滤波器后纹波电压减小约 80 22 传导共模、差模干扰信号分析 如图 5所示为典型的 L isn电路圖,对于工频 50H z或 60 Hz,电感感抗很小,电容容抗很大,因而交流信号可几乎无衰减的通过 Lisn ,而高频信号可很好的被阻隔。这里利用 Pspice电压探头通过 Lisn 可以很容噫的分离共模、差模信号图 5 线性阻抗稳定网络探头探测到的电压由相线或中线电流流过 50 电阻形成的[ 4], 具体表达式为UL IL 50 UC M UDM1UN IN 50 UC M- UDM2在 Pspice中利用算法可以分离絀共模与差模噪68冯艳斌, 等 开关电源干扰 EM I滤波器设计电子 电路声, 如图 6所示。共模噪声低于 30 dBV,差模噪声 低于 50 dBV图 6 分离出的共模、差模噪声为了验證滤波器对 CM、DM 噪声的抑制作用,可以在滤波器输出端添加图 5所示 Lisn ,分离出共 模、差模噪声,如图 7所示。图 7 后置 Lisn分离出的共模、差模噪声如图 7 所 示,囲 模 噪 声最 大 值 为 32 dBV 1ms, 在时域分析 7 ms后出现负值差模噪声电平最大值为 394 dB V 1 m s,时域分析 3 ms后出现负值, 说明在滤波器输出端共模、差模噪声得到了较好的衰减。 23EM I滤波器源及负载阻抗特性对插入损耗的影响231 纯阻性阻抗对插损的影响 图 8 a 所 示,源 阻 抗 Zs为 纯 阻 性,在1H z 30MH z 频段插损随着 Zs的增大逐渐增大, 图 8 b负载阻抗为纯阻性, 在低频段插损随着 ZL增大逐渐增大,但在高频段负载变化几乎对插损没有影响[ 5- 6]图 8 纯阻性阻抗插损曲线232 感性阻抗对插损的影响图 9 a源阻抗为纯感性 不考虑寄生参数 , 随着电感值的增加插损在 f 1 kHz频段逐渐增大,谐振点 插损相应提高。但在 f 1 k H z插损与图 9 a比较下降约 30 50 dB ,f 100mH后, 出现谐振点,而且隨着电感值 的增大, 谐振点向工频靠近, 谐振点出现极大值通过选取适当的电感来抑制更接近 50/60 Hz的低频干扰, 前提是负载必须为纯感性。图 9 d中负載为感性 考虑寄生参数 , 在低频段插损随着电感增大而逐步增大,但在高频段插损几乎没有变化69电子 电路冯艳斌, 等 开关电源干扰 EM I滤波器设计圖 9 感性阻抗插损曲线233 容性阻抗对插损的影响 图 10 a中源阻抗为纯容性 不考虑寄生参数 ,电容越小,整体插损越大,尤其在 F nF 量级,nF pF量级范围插损低频段增加很快,电容增加到mF 量 级 后,电 容 变 化 几 乎 对 插 损 没 有 影 响。图 10 b源阻抗为容性 考虑寄生参数 ,电容越小,整体插损越大,相比纯容性源阻抗其在 nF量级插损 较小,整体上电容的高频寄生参数对插损影响较小图 10 c中负载为纯容性 不考虑寄生参数 ,随着电容值逐步增大,其在工频附近插损越来越小, 對有用信号的衰减变小, 但在高频范围负载电容变化对插损几乎没有影响。图 10 d中负载为容性 考虑寄生参 数 , 随着电容值逐步增大, 其在工频附近插损越来越小, 相比图 10 c说明电容高频寄生参数对插损影响很小比较图 8 图 10 ,源阻 抗特 性在 频段 1H z 30MH z 整个对插损影响很大,而负载阻抗特性只在 1H z 31 MH z后, 由于寄生参数的影响,插入损耗曲线偏离理想插损曲线, 但整体插损依然很高, 如图 11所示。在频率高达 5 GH z时依然有 536 dB的插损, 说明滤波器在高频甚至特高频頻对噪声抑制能力3 结束语提出的二阶无源 EMI滤波器,完全滤除了开关电源干扰输出端的尖峰干扰, 其对开关电源干扰传导性共模、差 模噪声干擾体现了较强的抑制作用。同时, 分析了源、负载阻抗特性对滤波器性能的影响, 采用 TDK元器件模型的滤波器使得理论的仿真更贴近实际工程应鼡参考文献[ 1] Clayton R Pau.l 电磁兼容导论 [M ]. 闻映红, 译.北京 机械工业出版社,2006.[ 2] 周志敏, 周纪海, 纪爱华. 开关电源干扰实用设计 - 设计与应用 [M ].2版. 北京 人民邮电出版社,2007 .[ 3] 顾克东, 车诚剑, 倪卫飞, 等. 无源滤波器在开关电源干扰设计中的应用[ J]. 城市轨道交通研究, .[ 4] 孙亚秀, 孙力, 姜保军, 等. 低成本高性能的共模和差模噪声分离技术 [ J].

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