开关电源传导干扰建模与仿真分析＊

鲍敬源 崔 杨 王硕威 邱紫敬

（1．海军驻中国舰船研究设计中心军事代表室 武汉 430064）（2．中国舰船研究设计中心 武汉 430064）（3．中国科学院武汉物理与数学研究所 武汉 430061）

1 引言

开关电源是一种电能转换装置，具备质量轻、体积小、可靠性好、功耗低等优点。其电源效率比传统的线性电源提高了一倍。开关电源中功率开关管的高速开关动作（从几十千赫到数兆赫）形成了电磁干扰源，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生很强的尖峰干扰和谐振干扰。在开关电源中主要存在的干扰形式是传导干扰和近场辐射干扰，传导干扰会注入电网，这些干扰严重污染了电网，影响了邻近电子设备的正常工作。开关器件在开关的瞬间会产生较大的尖峰电压和电流，并通过电路元器件的寄生参数在电路中形成差模传导干扰和共模传导干扰［1～5］。

本文介绍了线性阻抗稳定网络的模型，分析了充电电源的差模干扰和共模干扰的传导模型，并在Saber软件中对充电电源主电路进行了传导干扰建模和仿真分析。

2 线性阻抗稳定网络建模

在对开关电源进行传导发射和辐射发射测试时，在电源的输入端会连接一个电源线性阻抗稳定网络（Line Impedance Stabilization Network，LISN）［6］。一般来说，LISN既可以防止电网对电源的干扰，又可以防止电源对电网的干扰，同时在进行传导干扰测试时可以为EMI接收机提供一个稳定的归一化阻抗，标准为50Ω。

如图1所示，在LISN 输入端，50μH 的电感用于防止电网的噪声干扰电源和EMI接收机，50Ω的电阻上的电压V1和V2分别表示L 线和N 线的干扰电压，差模噪声VDM和共模噪声VCM分别表示为［7］：

图1 线性阻抗稳定网络的仿真模型

图2 共模和差模噪声传播路径

如图2所示，差模干扰指电流iDM在相线和中线之间流动形成的噪声，共模噪声指iCM电流在相线或中线与地线之间流动所形成的干扰［8］。差模噪声主要由di／dt引起，EMI干扰源主要通过电源元器件的寄生参数和PCB 的寄生参数传导；而共模噪声主要由du／dt引起的，主要通过器件间的杂散电容传播。

3 车载充电电源的共模和差模噪声的高频电路模型

根据以上几节讨论的元器件高频模型，可以得到开关电源boost PFC 电路到半桥式拓扑变换器两级的共模和差模干扰［9］电路模型。图3给出了开关电源的共模传导干扰的传播路径，CP1为boost电路中开关管与散热器之间的杂散电容，共模传导电流当三极管导通时，CP1放电，当三极管关断时，CP1充电。共模传导电流的大小与电容CP1和漏源极电压变化率成正比。而当开关管开通和关断的瞬间，电压变化率非常大，再由于电路中的寄生参数作用，开关瞬间容易造成阻尼振荡［10～11］。同样地，CP2、CP3、CP4和CP5分别是半桥式DC-DC变换器中的三极管以及二极管对散热器的杂散电容。共模电流从LISN 出发，经过Boost的杂散电容、半桥式变换器一次侧的杂散电容以及变压器二次侧的杂散电容流入大地最后回到LISN，形成共模传导干扰回路。

图3 CM 噪声传播路径

图4 DM 噪声传播路径

图4给出了充电电源的差模干扰电流的传播路径，差模干扰主要跟电路中的元器件寄生参数和PCB走线的寄生参数有关，差模电流由L 线经电路中元器件及PCB走线回到N 线。

4 车载充电电源主电路的传导干扰仿真及结果分析

4．1 传导干扰仿真电路

根据以上元器件的高频模型，组建了开关电源的传导干扰仿真电路，如图5所示。车载充电电源的交流输入为220V，经两级Boost PFC 和半桥DC-DC电路后，输出为72V 直流。工作在CCM 模式，两级电路的开关管工作频率均为50kHz。

我们采用Saber软件进行传导干扰仿真，Saber软件是Synopoys公司开发的EDA 设计软件，是一款先进的系统级仿真软件，可以为汽车电子、航空航天、通信系统提供系统仿真。本节将利用Saber软件对充电电源的传导干扰电路模型进行仿真分析，其中包含了LISN和各元器件的寄生参数以及开关管对地的寄生参数。在Saber中对电路进行瞬态分析，再通过波形计算器对波形进行FFT 计算得到输入线、差模干扰和共模干扰的频谱图。

4．2 传导干扰仿真分析

以下四种情况都是对LISN 的两个电阻进行瞬态仿真，仿真时长为30ms，步长为10ns，截断误差为0．1μ。在对时域结果进行FFT 变换时，频段取为450kHz～30MHz。

图5 车载充电电源的传导干扰仿真电路

第一种情况，采用理想元器件，不加任何寄生参数，图6和图7分别表示理想状态下的共模传导干扰和差模传导干扰频谱，可见，在450kHz～30MHz内，干扰频谱在0dBμV 以下，干扰值非常小。

图6 理想情况下的共模传导干扰频谱图

图7 理想情况下的差模传导干扰频谱图

第二种情况，当增加元器件寄生参数时，包括元器件的高频模型和PCB 走线的寄生参数，此时，共模和差模传导干扰频谱图如图8和图9所示。差模传导干扰在整个频段内上升了60dBμV～70dBμV，共模干扰上升了30dBμV。证明在考虑元器件的寄生参数时，差模干扰起主导作用。

图8 加元器件寄生参数时的共模传导干扰频谱图

图9 加元器件寄生参数时的差模传导干扰频谱图

第三种情况，当同时考虑元器件的寄生参数和开关管漏极与散热器之间的分布电容时，图10和图11分别表示共模干扰和差模干扰的频谱图，此时共模干扰频谱都有大幅度的上升，共模干扰占主要作用，主要通过开关管对地的电容传导至电源线上。验证了共模干扰是通过电源线和大地形成的干扰回路。

第四种情况，在输入线上加一个EMI滤波器。滤波器如图12所示，设置如下：共模电感L＝9．07mH，差模电容Cy＝470nF，共模电容Cx＝0．01μF。

可见，当在输入线上增加EMI滤波器时，共模和差模干扰有显著下降，如图13和图14，证明了在输入线上增加输入滤波器是有效降低传导干扰的方法。

图10 加元器件寄生参数和对地电容时的共模传导干扰频谱图

图11 加元器件寄生参数和对地电容时的差模传导干扰频谱图

图12 输入滤波器的电路图

图13 加输入滤波器时的共模传导干扰频谱图

5 结语

图14 加输入滤波器时的差模传导干扰频谱图

本文以Boost PFC和DC-DC开关电源主电路为研究对象，介绍了电路元器件的高频模型和线性阻抗稳定网络的电路模型，介绍了共模和差模电压的计算方法，并根据开关电路的原理图分析得出了其共模和差模干扰的传播路径。在Saber软件中进行瞬态仿真分析，利用波形计算器对时域结果进行FFT 变换，得到共模和差模传导干扰的频域波形。分四种情况对电路的传导干扰进行讨论，验证了共模传导干扰主要是通过有源器件对地的杂散电容传播干扰，差模传导干扰主要是通过元器件的寄生参数和PCB 走线的寄生参数传播的，并证明了输入滤波器能有效降低电路的传导干扰。

［1］Dongbing Zhang，Dan Chen，Dan Stable．Non-intrinsic Differential Mode Caused by Ground Current in an Offline Supply［C］／／IEEE PESC'98，1998：1131-1133．

［2］M．Chiado Caponet，F．Profumo，L．Ferraris，et al．Common and Differential Mode Noise Separation：Comparison of two Different Approaches［C］／／IEEE PESC'01，2001．

［3］Xiaoming Ye，David．M．Hockanson．A Common-Mode Current Measurement Technique for EMI Performance Evaluation of PCB Structures ［C］／／CEEM'2000：389-393．

［4］Georg Sauerlaender，Thomas Duerbaum．Common Mode Noise generated by Magnetic Components-Experimental Test Set-up and Measurement Results ［C］／／IEEE PESC'2000：911-915．

［5］马伟明，张磊，孟进．独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容［M］．北京：科学出版社，2007．

［6］路宏敏，余志勇，李万玉．工程电磁兼容［M］．第二版．西安：西安电子科技大学出版社，2010．

［7］杨光．高频开关电源的EMI建模与仿真研究［D］．北京：北京邮电大学硕士学位论文，2008．

［8］Clayton R．Paul．Introduction to Electromagnetic Compatibility（2nd edition）［M］．New Jersey：John Wiley ＆Sons，Inc，2006．

［9］和军平，姜建国，陈为．离线式PWM 变换器传导电磁干扰传播通道研究［J］．电工技术学报，2004，19（4）：56-60．

［10］孟进，马伟明，张磊，等．带整流桥输入的开关电源差模干扰特性分析［J］．电力电子技术，2006，21（8）：14-18．

［11］袁义生．功率变换器电磁干扰的建模［D］．杭州：浙江大学博士论文，2002．