开关电源的射频传导发射分析及预测

3 仿真分析
设ຫໍສະໝຸດ Baidu如下仿真条件: 开关电源的开关频率 20
第 28 卷第 5 期
阎毓杰等 : 开关电源的射频传导发射分析及预测
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kH z, 梯形波周期 T = 50 s, 上升 / 下降时间 tr = 30 ns, 占空比 t0 = 25% 。经过参数化电路分析计 算, 可得开关电源滤波器的电路原理图见图 7, 滤 波器的特征曲线见 图 8 。由 图 8 可计算得到 20 kH z 时开关电流通过滤波器后的幅值见图 9。
( 武汉第二船舶设 计研究所 , 湖北 武汉 430064) 摘要 : 针对工程中电网的射频传导干扰现象 , 研究了开关类 设备的射 频传导发 射及其 干扰抑 制 , 分 析了开 关 电源的射频传导干扰成因 , 并建立了射频传导发 射数学模型以计算流回到电源线上的射频传导干扰 。 在此基 础上 , 通过使用软件适当设计滤波器以仿真射频 传导干扰的抑制效 果 , 实 现了对开 关电源射频 传导发射 及其 干扰影响的数值预测 。 关键词 : 开关电源 ; 电磁兼容 ; 传导干扰 ; 射频传导发射 ; 预测 中图分类号 : T N86 文献标志码 : A
第 28 卷 第 5 期 2 0 10 年 5 月 文章编号 : 1000 7709( 2010) 05 0153 03
水 电 能 源 科 学 W ater Resour ces and P ow er
V o l. 28 N o . 5 M a y. 2 0 1 0
开关电源的射频传导发射分析及预测
阎毓杰 樊友文 杨华荣
图 1 开关电 源的组成框图 Fig . 1 Frame w or k o f SMPS
从电磁兼容角度分析, 上述工作流程中所产 生的传导发射将会对电网供电品质造成一定程度 的影响。这些传导发射主要分布于赫兹到千赫兹 ( 低频传导发射 ) 和千赫兹到兆赫兹 ( 射频传导发 射) 两个频段范围。其中 , 前者通常与开关电源的 一次整流电路相关, 后者与开关电源 DC DC 变换 电路中使用的实际开关频率有关, 且后者引起的
积分得到的归一化系数为 : Cn = 1 eZ 1 t - 1 - e- Z1 t - 1 2jT Z2 Z1 ( 5)
Z1 = - j( b- 2n f 0 ) ; Z 2 = + j( b+ 2n f 0 ) 因此 , 射频开关电流波形是周期梯形波与正 弦衰减震荡这两个独立效应的合成效果 , 如图 5 所示。相应的开关电流波形频谱图如图 6 所示。
式中 , R 为电流源阻抗 ; V ab 为相线与中线间的电
图5 Fig . 5
射频开关电流时域波形 Time do main w a ve o f radio
f re que nc y sw it ch c urre nt
图2 Fig . 2
开关电源 DC DC 变换电路
Cir cuit o f DC DC t ra nsfo rming in SM PS
作者简介 : 阎毓杰 ( 1979 ) , 男 , 高级工程师 , 研究方向为电磁兼容设计 , E mail: yanyujiecn@ 163. co m
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水
电
能
源
科
学
2010 年
干扰对电网品质的危害尤为典型。形成干扰影响 的途径和机理如下: 在开关电源的工作电路中, 开关管电路部分实际上构成了一个高频电流的环 路, 开关管通断所产生的梯形波电流流经该环路 而形成高频谐波震荡。如果整流回 路的滤波不 足, 该开关频率的高频谐波电流将以差模方式传 播到开关电源所在的交流电网中去。 由于在二 次整流电路中, 处在高频通断状态的整流二极管 也将与高频变压器及二次滤波电容一起形成一个 射频开关电流环路 , 其射频电流会叠加到输出直 流电压上, 从而影响开关电源供电负载的正常工作。
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和军平 , 陈 为 , 姜建国 . 开 关电源共 模传导 干扰模 型 的研究 [ J] . 中国电机工程学报 , 2005, 25( 8) : 50 55.
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图9 Fig . 9
开关电流通过滤波器后的预测值 has be e n filt e re d
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刘胜 , 王震 . 开 关电 源电 磁兼 容性 场路 综合 分析 方 法研究 [ J] . 应用科技 , 2009, 36( 1) : 18 22.
Pre dic t io n v a lue o f s w it c h c ur re nt w hich [ 5]
由图 9 可看出, 通过设计合适的滤波器, 开关 电源的射频传导干扰得到大幅抑制, 最大处约下 降 23 dB, 满足了射频传导发射的极限线要求 , 从 而避免对电网造成大的污染, 不影响电网上的其 他负载设备的正常工作。
李洪义 , 阎 毓杰 , 吴宏 悦 . 舰艇开关 电源的 低频传 导 干扰建 模与 仿真 [ J] . 舰 船 科学 技术 , 2009, 31( 4) : 142 146.
收稿日期 : 2009 12 28, 修回日期 : 2010 01 27
[ 4]
其干扰影响的数值预测。本文预测结果可作为系 统级工程电磁兼容的设计依据。
1 开关电源的射频传导干扰成因
开关电源的电路结构组成原理框图见图 1。由 图可看出 , 开关电源的工作流程为 : 交流电源输 入后经第一次整流滤波成为直流电压, 作为 DC/ DC 变换 电路 的 输 入。 通 过高 频 脉 冲 宽 度调 制 ( PWM ) 信号控制开关管, 将直流加到高频变压器 的初级上 , 在次级上感应出高频电压, 再经过第二 次整流滤波得到输出直流电压 , 以供给负载使用。 ! 与此同时, 输出部分通过取样比较电路经放大 反馈给控制电路 , 控制 PWM 占空比 , 以达到稳定 输出的目的[ 6] 。
管的导通尖峰恢复电流 , 可用指数方式衰减的正 弦波脉冲 ( 正弦衰减震荡 ) ( 图 4) 模拟 : f ( t ) = e- t sinbt ( 3) 式中 , 为衰减指数 ; b= 2 f 0 , f 0 为正弦波频率。
图4
指数衰减的正弦波脉冲 ( T = 50 s )
Fig. 4 Sine pulse of e xpone nt ial at t enuat ion ( T = 50 s)
图 3 梯形波 Fig . 3 Tra pez oid w av e
该对称梯形脉冲的傅里叶系数为: Cn = 2 f t r sin[ n f ( t0 + tr ) ] sin( n f t r ) ( 2) (n )2
式中 , n 为傅里叶级数 ; f 为频率。 为更精确地模拟射频传导发射所形成的开关 电流波形 , 还需考虑 DC DC 变换中高频整流二极
图6 Fig . 6 射频开关电流的频谱图
Fre quenc y spe c t rum o f ra dio
f re que nc y sw it ch c urre nt
图 5、 6 是开关频率 20 kH z、 导通尖峰电流小 于 1 A 时获得的, 以此作为开关电源射频传导发 射模型的基础。由图可看出 , 射频开关电流具有 相当宽的频率带宽, 含有丰富的高次谐波( 开关频 率的整数倍) , 且频谱幅度在低频段较高。这些谐 波干扰如果不加以控制传播到电网上去 , 将降低 电网的供电品质, 并影响电网上其他负载设备的 正常工作。为此, 通常需采用平滑滤波器抑制开 关电源的射频传导干扰。
图 7 开关电源的滤 波器原理图 Fig. 7 Filt er dia gr am fo r SM PS
从而实现对射频传导干扰的数值预测 , 可作为工 程电磁兼容的设计依据。 参考文献 :
[ 1] 王敬斌 . 开关电源的电 磁干扰 及抑制 技术 [ J] . 水 利 电力科技 , 2009, 35( 2) : 37 43. [ 2] Wu M K W, T se C K . A Rev iew of EM I Pr oblems in Sw itch M ode P ow er Supply Design[ J] . Journal o f
导干扰分析预测的有效途径。由于开关电源的射 频传导发射与 DC DC 变换有关, 构建开关电源的 射频传导发射模型对寻求开关电源的射频传导干 扰的抑制措施、 增强开关类设备的电磁兼容性能、 改善电网供电品质将起到至关重要的作用。 b. 针对工程中电网上出现的射频传导干扰, 分析了开关电源的射频传导干扰成因 , 并建立了 射频传导发射数学模型并计算射频传导干扰。通 过设计滤波器以仿真射频传导干扰的抑制效果,
图 8 滤波器特 征曲线 Fig. 8 Char ac t e r c urv e o f filt e r [ 3]
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傅里叶系数可由 f ( t) 在整个周期内积分求得: Cn = 1 T
∀f ( t ) e
T 0
- j2 ntf
dt
( 4)
2 开关电源射频传导发射建模
为对射频传导发射进行建模 , 可将开关电源 DC DC 变换的非线性负载 ( 包括平滑滤波器和开 关电路) 用一电流源代替 , 该电流源的阻抗实际上 是由输出功率计算出的电阻值 , 即 : R = V2 ab / P 0 压; P 0 为输出功率。 开关电源射频传导发射电流源的特性可采用 反极性拓扑结构 [ 7] 表示, 如图 2 所示。 ( 1) 其中
开关电源 ( SMP S) [ 1~ 3] 的设计是一个系统工 程, 不仅需考虑电源自身的参数设计, 还需考虑其 电磁兼容性能, 尤其要防止谐波及开关频率的电 流经传导方式进入配电系统中对电网上的其他电 气电子设备造成严重干扰。因此, 对开关电源的 传导发射及其干扰影响实施定量的预测分析在系 统级电磁兼容工程中发挥着极其重要的作用。 由于开关电源干扰形成机理的复杂性, 在工 程电磁兼容设计中对干扰的定性分析往往依赖于 设计人员的经验或测试数据; 而对干扰源、 干扰耦 合通道及干扰影响的定量描述主要通过试验测量 或构建简单电路模型的方式来分析和推算传导发 射 , 因而难以实现精确的数值分析。开关电源 的电磁干扰主要来自于其整流部分的低频传导发 射及转换部分的射频传导发射。文献 [ 5] 对开关 电源的低频传导发射 及其谐波畸变 影响作了探 讨。目前 , 在开关电源的射频传导发射及其干扰 影响方面的研究并不多见 , 尤其是对射频传导发 射的定量分析及干扰影响的数值预测一直还是该 领域内的研究难点 , 开展该方面的研究对于寻求 开关电源的射频传导干扰的抑制措施、 增强开关 类设备的电磁兼容性能、 改善电网供电品质将起 到至关重要的作用。鉴此 , 本文针对工程中电网 上出现的射频传导干扰 , 分析了开关电源的射频 传导干扰成因, 建立了射频传导发射数学模型以 计算流回到电源线上的射频传导干扰 , 借助软件 工具通过适当设计滤波器以仿真射频传导干扰的 抑制效果 , 从而实现对开关电源射频传导发射及
图 2 中单刀双掷开关代表接通和截断输入电 流的开关管, 因此输入端信号为一连续方波信号。 当开 关断开时, 负载上的二 极管仍有电流存在。 由于开关管有确定的上升和下降时间 , 因此该电 流源可用一个对称的周期梯形波来代替 , 周期为 T , 上升时间为 tr , 占空时间为 t0 ( 图 3) 。