【導讀】本文根據開關電源在開關快速開關的過程中存在dvΠdt效應和傳導性輻射的情況，提出一種開關電源抑制傳導性電磁干擾的緩沖電路設計方法。仿真研究證明了這種緩沖電路在抑制傳導性電磁干擾的有效性。
1 引 言
電磁干擾EMI就是電磁兼容不足,是破壞性電磁能從一個電子設備通過輻射或傳導傳到另一個電子設備的過程。傳導性(conducted)EMI是EMI的一種重要形式，它是射頻能量通過發射形成傳播波，一般通過電線或內部連接電纜，以傳播波形式傳播。
近年來,電子設備的EMI的抑制已成為人們關注的焦點，開關電源是當前市場上一種頗受歡迎的電源，具有體積小，效率高，規格多的優點。在電子產品的研發過程中，開關電源往往被直接利用作為整個電子系統的一部分。然而,由于這種電源高頻率的開關動作，將產生大量的傳導性電磁干擾(EMI)。這個問題在產品設計階段如果處理不好,將對開關電源乃至整個電子系統造成不利的影響。開關電源在高頻信號的控制下，開關元件高速動作使開關電路存在dvΠdt效應和傳導性輻射。
2 開關電源產生EMI的根本原因和利用能量存儲減小EMI的理論分析
在麥克斯韋方程組中，電勢差定律為:
電流定律為:
電勢差定律也叫法拉第電磁感應定律,描述的是穿過閉合回路的磁場會產生電流,變化的磁場產生電場。電流定律解釋了電路中EMI產生的根本原因——時變電流,時變電流既產生電場,又產生磁場。對電磁兼容來說,這兩個定律相互作用,使得電路產生具有射頻電流的EMI。
為了抑制EMI,在開關電路上增加一個具有存儲電荷效應的簡單電路——緩沖電路。在緩沖電路中，最重要的部件是電容Css。由于在頻率比較高時，導線可以用電阻與電感相串聯來等效,電容器要用電容、電阻、電感串聯來等效，因此Cs、Ls、Rs串聯組成了Css仿真等效電路。其阻抗為：
自諧振頻率為:
當信號頻率高于
時，串聯回路呈感性失諧；當信號頻率低于
時，串聯回路呈容性失諧。能量存儲效應是電容在開關高速動作時，起到能量存儲的補償效應。電容能量存儲效應公式為：
時，串聯回路呈感性失諧；當信號頻率低于時，串聯回路呈容性失諧。能量存儲效應是電容在開關高速動作時，起到能量存儲的補償效應。電容能量存儲效應公式為：
其中ΔI為開關轉換電流，ΔV為允許的電壓改變，Δt為開關切換時間。其能量補償原理是：在經歷開關快速變化時，對頻率比較低的成分，在電壓突變時,有更多的電流供給開關元件；對高頻成分，電容感性失諧，它決定了向開關元件最初能提供的電流。由于以上能量存儲效應，可以將dvΠdt和diΠdt快速變化的能量存儲起來，使得緩沖電路具有較強的抑制EMI的功能。
3 具有緩沖電路的開關電源組成與工作原理
圖1為50kHz開關控制電源的組成方框圖。其中線性阻抗穩定網絡的作用是為了消除在供電電力線內潛在的干擾，包括電力線干擾、電快速瞬變，電涌，電壓高低變化和電力線諧波等。這些干擾對對一般穩壓電源來說，影響不是很大，但對高頻開關電源來說，則影響顯著。
開關元件一般在電壓波形的波峰消耗能量，這樣，當外界電壓有干擾或變化時，將使開關電源產生較多諧波成分而使波形失真，且EMI會比較嚴重，影響到開關電源和整個電子設備的安全工作。線性阻抗穩定網絡還可以有效抑制供電線內的共模干擾，利用其對稱結構和適當的去耦處理和設計來解決。
整流濾波電路由一般橋式整流電路和一個大電容組成。高頻信號產生與控制電路的作用有兩個，一個是產生觸發開關元件通斷的高頻矩形脈沖，這些矩形脈沖的占空比決定了輸出直流電壓的高低；另一個是穩壓反饋作用，即從輸出端取樣的電壓經過與整流，與基準直流電壓比較后形成誤差電壓，該電壓經過放大控制高頻信號產生電路中高頻信號的
占空比，從而達到穩定輸出電壓的目的。
場效應管開關主電路為開關電源的核心電路，也是產生EMI的主要電路。因此,在場效應管開關傳統主電路的基礎上，設計增加一個緩沖電路來抑制EMI。在這部分電路設計時，要著重注意共模電流和串擾的影響。共模輻射是由于電路設計之處的電壓降造成的，這種電壓降致使電路的一些接地部分的電壓比真實的參考地電壓高，這樣受影響的接地系統相連的電纜或器件就成了天線，在空中輻射共模電磁能,并通過電纜或導線感應來傳播。差模輻射很容易利用電路的設計來減弱，但共模輻射相當難解決，通常利用靈敏接地來解決。
4 具有緩沖電路開關主電路設計與仿真
圖2為開關主電路仿真電路。緩沖電路的仿真參數設置為：仿真區間0～30ms，跌代步長0101μs，開關控制信號50kHz。緩沖電路器件參數為D1—MUR460，R2—500，Cs—5nF，Ls—34nH，Rs—0115。
在圖2中，為了便于仿真，將Css等效成Cs、Ls、Rs串聯的形式，由于器件連接結構的原因，由場效應開關管M1的漏極通過C2接機殼來等效M1。仿真電路中緩沖電路由R2、D1、Cs、Ls、Rs組成，M1在高頻信號產生與控制電路Vs信號的作用下，完成高速開關動作，并經L和C3和濾波，在負載RL上得到直流電壓。
為了將有緩沖電路和沒有緩沖電路的開關電路EMI進行對比，分別對其進行仿真分析。圖3為帶有緩沖電路開關元件電壓電流和功率波形，從功率波形上可以發現開關器件仍然存在小幅射頻振蕩。為了有利于觀察有緩沖電路和沒有緩沖電路的開關電路產生射頻振蕩的情況，將二者的電壓電流功率波形進行放大，得到圖4有緩沖電路開關元件電壓電流和功率放大波形和圖5沒有緩沖電路開關元件電壓電流和功率放大波形。
從圖4和圖5中可以看出，兩種電路都有一些射頻振蕩，這些振蕩會帶來EMI輻射，并對系統的性能產生不利影響。仔細觀察不難發現，二者在振蕩幅度上差別很大。通過仿真游標讀出，有緩沖電路開關電流的振蕩幅度最大為41125A，功率振蕩幅度最大為6813W；而無緩沖電路開關電流的振蕩幅度最大為60A，功率振蕩幅度最大約為1kW。后者的最大射頻電流比前者大23分貝，最大射頻功率比前者大11分貝。
從以上兩種電路仿真結果從幅度上對比可以看出，有緩沖電路的開關電源其dVΠdt、diΠdt效應比無緩沖電路開關電源要小得多，可以得出緩沖電路對EMI的抑制作用明顯的結論。
5 結 論
本文提出了一種利用簡單的電路——緩沖電路來抑制開關電源傳導性輻射的方法。利用PSPICE仿真模型驗證比較了有無緩沖電路時的開關元件輻射EMI的電壓、電流和功率,指出它們存在射頻振蕩的大小。在仿真過程中，發現Css的參數對抑制EMI的作用比較敏感。所以，實際電路設計與生產時，對Css要仔細挑選，使的其參數符合要求。
參考文獻
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