反激式开关电源传导干扰建模仿真分析

陈治通，李建雄，崔旭升，杨庆新，牛萍娟

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

反激式开关电源传导干扰建模仿真分析

陈治通1，李建雄1，崔旭升1，杨庆新2，牛萍娟2

（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津 300387；2.天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）

提出一种可靠的方法仿真和预测开关电源的传导电磁干扰。采用器件建模与印制电路板(PCB)建模相结合的方式，构建器件和PCB的高频等效电路模型。以此为基础建立完善的开关电源电路传导干扰模型。仿真开关电源电路工作时各点电压电流波形并据此分析开关电源传导电磁干扰问题。参照电磁兼容标准，对开关电源的传导干扰强度进行评估。为开关电源的设计和器件选择提供帮助。

开关电源；传导干扰；器件建模；印制电路板建模

开关电源以其体积小、质量轻、效率高、可靠性好等优点，广泛应用于现代电子设备中。开关电源利用半导体的开关特性，通过高频脉冲信号控制功率开关管的通断时间，为电子设备提供稳定的直流功率输入。由于其高功率密度和高频快速电路通断的特点，工作过程中会产生较大的电压和电流的瞬变，进而产生较强的电磁干扰。所产生的电磁干扰会通过电路和电路间的耦合以传导的方式传递给负载，同时通过线缆将电磁干扰注入电网，对电网中其它设备造成损害。开关电源朝着高功率密度、高频率方向快速发展，它所产生的电磁干扰问题也日益严重。国内外电磁兼容标准强制执行，使得开关电源的电磁兼容问题成为限制开关电源使用的关键问题，传统的解决方法一般采用实验纠错的电磁兼容设计方法，从而导致研发成本增加，产品设计周期延长。因此，构建准确的开关电源传导电磁干扰模型，据此预测评估开关电源的传导电磁干扰，是解决其电磁兼容问题的重要环节[1]。

本文以反激式开关电源为具体研究对象，分析并确定电路中主要器件的寄生参数，构建功率开关管、二极管、变压器、电感、电容、电阻等器件的高频等效电路模型[2]。同时利用部分元等效电路(PEEC)方法提取印制电路板(PCB)上走线、介质材料及过孔引起的杂散参数，构建PCB的高频等效电路模型。采用上述模型搭建仿真实验电路，仿真电路中各点的电流电压波形，分析仿真结果确定开关电源的传导干扰发射机理及其传播路径[3]。同时对关键节点电压波形进行快速傅里叶变换(FFT)获取频谱数据，由此评估传导干扰强度，分析传导干扰主要集中的频率及干扰的特点。此模型能有效地模拟真实工作状态下反激式开关电源的传导电磁干扰。

1 反激式开关电源基本工作原理

为了真实有效地模拟反激式开关电源的正常工作状态，必须以一个硬件电路作为具体研究对象，同时为了保证本模型的普遍适用性，必须选取典型的电路结构作为提取仿真模型的基础。本文以一款通用型反激式开关电源的主工作电路作为基本研究对象，其基本工作原理如图1所示。此电源由交流整流电路和反激式开关功率转换电路组成。整流电路由4个二极管组成的整流桥及电容C1构成，功率转换电路由功率开关管M 1、二极管D1、高频变压器T1、储能电容C2、负载电阻RL等组成。一个工作周期由两个工作状态组成。

图1 反激式开关电源的基本工作原理

功率开关管导通状态：控制电路输出矩形脉冲处于高电平状态时，功率开关管M 1导通，快速恢复二极管D1截止，电流流过高频变压器T1初级线圈，能量以磁能形式存储于变压器初级线圈。

功率开关管截止状态：控制电路输出脉冲处于低电平状态时，功率开关管M 1截止，二极管D1导通，次级回路导通，储能通过变压器T1次级线圈输出能量，并通过稳压稳流电路平稳输出直流电供给负载。控制电路输出为100 kHz近似矩形脉冲的周期波形，脉冲的上升沿和下降沿会导致功率开关管和二极管快速通断，进而产生较大的

2 器件及PCB高频模型

反激式开关电源主电路主要由功率开关管、二极管、变压器、电阻、电容和电感组成。这些器件由于制造工艺及材料本身特性所限，无法以理想器件状态工作。器件存在的寄生参数在电路工作时将影响器件的频率特性，因此在对开关电源的传导干扰进行建模和仿真分析时，必须构建包含寄生参数的器件高频电路模型[5]。对于其中如变压器、电阻、电容和电感等无源器件，本文采用阻抗分析仪测量结合高频等效电路模型拟合的方法，确定寄生参数数值。

2.1 无源器件高频模型

2.1.1 电阻高频电路模型

电阻正常工作时，存在非线性效应，此效应源于电阻中存在的寄生电感和电容。其高频等效电路模型如图2(a)所示，其中串联等效电感()为电阻内部绕线和外部引线电感，为漏电容，为其低频时的电阻值。

2.1.2 电感高频电路模型

2.1.3 电容高频电路模型

电容在其自谐振频率以下呈电容性，高于该频率出现电感性，特别是用于开关电源的电解电容，具有较大的串联等效电感和串联等效电阻，其高频等效电路模型如图2 (c)所示。

图2 电阻、电感、电容高频等效电路模型

2.1.4 变压器高频等效模型

高频变压器是开关电源中实现功率变换的重要器件，初级回路产生的干扰通过变压器的寄生电容等以传导的方式传递给次级回路，因此高频变压器的模型必须包含这些可以传导电磁干扰的寄生参数[6]。反激式开关电源变压器等效电路模型由漏感、分布电容、绕线电阻、励磁电感和理想变压器构成。本文采用CadenceMagnetic Parts Editor计算上述参数，搭建电路模型如图3。

图3 变压器高频等效电路模型

此模型包含励磁电感Lp，初级绕组寄生电容C1，初级漏感L1，初级损耗电阻R1，次级绕组寄生电容C2，次级漏感L2，次级损耗电阻R2，磁芯损耗电阻Rc，初级与次级间耦合电容Ci1和Ci2，理想变压器T。

2.2 有源器件高频等效模型

开关电源一般选用金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)作为功率开关管，MOSFET在开关过程中，存在较高的电压变化率d/d 和电流变化率d/d ，会造成脉冲信号畸变，引起振荡和过电压[3]。这是由于MOSFET本身结构特性导致器件存在漏、栅、源极间寄生电容和寄生电阻造成的。MOSFET的高频模型必须精确表示、、、、等参数，极间的非线性电容和等会产生电荷存储效应，使得驱动MOSFET的开关波形发生变化，引起传导电磁干扰。本文MOSFET模型采用工作曲线描点的方法，利用器件工作特性曲线计算出MOSFET的、、、、等参数，通过Pspice Model Editor构建MOSFET的Spice电路模型。模型文件如下：

2.2.1 功率开关管模型

2.2.2 功率二极管模型

开关电源所采用的功率二极管为快速恢复二极管，但其通断并不是瞬间完成，通断过程存在一定的反向恢复时间，在此时间内电压电流急剧变化，进而引起较大的电磁干扰。反向恢复是由二极管内部的PN结电容和寄生电阻造成的。二极管高频模型采用和MOSFET相类似的工作曲线描点的方法构建。其Spice模型参数如下：

2.3 PCB高频等效电路模型

PCB导线分布参数的提取通常采用传输线等效的方法，将导线等效成为微带结构模型，依靠其结构尺寸和介质材料的介电常数进行等效分析和建模，此类方法一般只计算线对地的寄生电感和电容，忽略了PCB线间的寄生耦合和走线弯曲及开路不连续，同时计算时需要无限大的地平面作为参考，与实际工作中的开关电源PCB结构存在较大区别，使用该方法得到的PCB高频模型不能准确表示开关电源PCB的寄生电感和电感，因此不适合复杂的PCB电磁干扰(EM I)建模和仿真分析。本文采用CSTPCB STUDIO软件对PCB的寄生参数进行提取，利用3D准静态的部分元等效电路算法将PCB三维模型结构划分为较小的导体段、导体区域和介质区域。导体段间的磁耦合通过感性元件耦合计算，导体面域间的电耦合通过考虑介质存在的电容耦合计算，将电磁场问题转换为电路网络模型。把图4(a)所示的开关电源电路PCB版图文件导入CST PCB STUDIO，对图中所示的走线、焊盘、过孔、器件、介质材料等参数进行设定，选取工作电路网络，确定网格剖分方式，计算PCB各区域内的寄生参数，生成由PCB寄生电容、电阻、电感构成的电路网络，即为PCB高频等效电路模型，如图4(b)所示，此等效电路模型中各个引脚对应PCB版图中各器件的引脚，PCB版图中各器件的连接均可等效为器件模型与PCB等效电路模型引脚的连接。

图4 PCB版图及高频等效电路模型

3 开关电源电路传导干扰仿真与分析

在对开关电源器件和PCB等效电路模型分析和构建的基础上，利用CSTDESIGN STUDIO仿真平台搭建完整的反激式开关电源高频等效电路模型，对开关电源的传导干扰进行仿真分析。此电源输入为220 V交流市电，输出为42 V，330mA直流，开关频率为100 kHz，进行瞬态仿真，仿真整个开关电源电路在工作状态下各节点在每一时刻的电流和电压波形，整体电路如图5所示。

图5 反激式开关电源传导干扰仿真电路

首先对原边回路进行分析，提取功率开关管M 1中漏极（引脚3）电压波形。对比栅极（引脚4）输入控制信号的波形[图6(a)]，漏极电压波形受电路中寄生参数影响发生变化，如图6(b)。

对漏极电压信号进行FFT提取频谱信息，参考电气照明电磁兼容国家标准GB17743-2007（等同于CISPR15：2005）传导骚扰电压9 kHz～30MHz的限值，在9 kHz～25MHz频率范围内传导辐射均超出国家标准的限值[图7(a)]。同时对频谱图局部放大后发现，以100 kHz为基波的各次谐波有较大骚扰电压值[图7(b)]，证明MOSFET的通断是开关电源传导电磁干扰的重要来源。

图6 MOSFET栅极、漏极电压波形

图7 漏极电压频谱及局部放大

提取次级回路中功率二极管D1的电压波形，并对波形进行FFT变换获取频谱，如图8所示。从图8中可以发现二极管为较强的传导干扰源，在15MHz以内传导干扰超过标准限值。

传导电磁干扰传播路径分析：对开关电路中电源输入节点、整流桥输出节点、高频变压器输入输出节点、次级稳压节点及电源输出节点等关键节点电压波形进行频谱分析。限于篇幅本文只列出电源输出电压的频谱(图9)，根据关键节点的电压频谱确定各节点传导干扰大小及类型，由此构建开关电源传导电磁干扰路径，其中功率开关管M 1和功率二极管D1为主要传导干扰源，如图10所示。

图8 二极管电压波形FFT

图9 输出端电压频谱

图10 传导干扰传导路径

4 结论

开关电源的传导电磁干扰是开关电源电磁兼容的重要问题，而建立开关电源的传导干扰仿真分析模型是解决此问题的关键。本文从典型的反激式开关电源出发，提取了器件和PCB的高频等效电路模型参数，构建完善的开关电路仿真分析模型，仿真分析出开关电源传导干扰主要干扰源及干扰传播路径，并参照电磁兼容标准评估了传导干扰的强度。

[1]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(5):49-54.

[2]和军平,陈为,姜建国.开关电源共模传导电磁干扰模型的研究[J].中国电机工程学报，2005，25(8):50-55.

[3]袁义生,钱照明.功率变换器电磁干扰的建模[D].杭州：浙江大学，2002.

[4]黄华高,陈玮,陈恒林,等.Boost变流器传导电磁干扰的近场耦合模型[J].浙江大学学报,2011,45(11):16-20.

[5]朱伟玲.开关电源PCB电路电磁辐射研究[D].成都：电子科技大学，2008.

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[7]袁义生,钱照明.分析传导EM I的功率MOSFET建模[J].浙江大学学报：工学版，2003，37(2):198-201.

Modeling and simulation analysisof flyback sw itched-mode power supply conduction interference

CHEN Zhi-tong1,LIJian-xiong1,CUIXu-sheng1,YANG Qing-xin2,NIU Ping-juan2

A reliable method for simulating and predicting sw itched-mode power supply(SMPS)conduction electromagnetic interference(EMI)was proposed.Utilizing the combination method of device modeling and printed circuit board(PCB)modeling,the high frequency equivalent circuitmodelof devices and the PCB was built.Based on the derived model,the sw itched-mode power supp ly circuit conduction EMImodelwas established and im proved.The sw itched-mode power supply operating each pointvoltage and currentwave forms were simulated to analyze SMPS conduction EMI issue.According to the electromagnetic com patibility(EMC)standards,conduction EMI intensity of the sw itched mode power supp ly was estimated,supplying assistance for the sw itched-mode power supply design and device selection.

sw itched-mode power supp ly;conduction electromagnetic interference;device modeling;printed circuit boardmodeling

TM 64

A

1002-087 X(2014)05-0953-04

2013-10-25

天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目(10JCZDJC15400)

陈治通(1988-)，男，山东省人，硕士研究生，主要研究方向为电磁兼容。