反激式开关稳压电源传导干扰研究

余 凯，廖惜春

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门529020）

开关稳压电源和线性稳压电源相比具有体积小、重量轻、效率高、功耗少，稳压范围宽等优点，已广泛地运用于电子系统领域。但是开关稳压电源在工作过程中内部会产生浪涌电流和尖峰电压形成干扰源，通过传导后会对电网产生干扰，并影响同一电网中其他电子设备的正常工作。同时，世界各国都相应制定了自己的EMC标准。比较著名的有国际电工委员会的IEC61000及CISPR系列标准、美国联邦通信委的FCC系列标准、欧洲共同体的EN系列标准，随着国际电磁兼容法规的日益严格，产品的电磁兼容（EMC）性能越来越受到重视，对EMC的要求越来越严格。所谓EMC是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对该环境中的任何设备产生不能承受的电磁干扰能力。

本文以反激式开关电源为研究对象，利用电容、电感、变压器、MOSFET、功率二极管的高频模型组建了仿真电路，用pspice软件［1，2］对电路进行了仿真，并对传导EMI产生的原因、过程进行了分析。

1 传导干扰分析及元器件的高频模型

1.1 传导EMI产生机理

为了对开关电源传导EMI进行研究，考虑到硬件选择和设计中传导EMI的复杂性，本文以单端反激式开关电源为研究对象。通常根据传导耦合方式的不同，可以将电磁干扰分为差模（DM）和共模（CM）［3－5］。共模电流（ICM）的特征是以幅度相同、相位相同，往返于任一AC线（L，N）与零线之间的噪声电流。差模电流（IDM）的特征是往返于相线与中线之间且相位相反的噪声电流。

图1所示是反激式开关电源传导干扰的模型。交流电压通过开关电少源中的整流滤波电路，输出稳定的直流电压。在传输的过程中变压器T中会产生漏感，输出二极管VD5的反向恢复电流会产生尖峰造成电磁干扰。开关电源的电磁干扰主要来自以下两个方面：

图1 反激式开关电源传导干扰路径模型

（1）开关电源主要由变压器和开关管组成，即图1中的变压器T和开关管PM。变压器在开关管PM导通、关断时产生尖峰脉冲，脉冲的频带宽，谐波丰富。这是由于在开关管导通的瞬间，会有很大的浪涌电流产生在变压器的一次侧线圈，形成浪涌尖峰电压造成干扰；在开关管截止瞬间，由于一次侧线圈产生漏磁通，使能量不完全传输到二次侧线圈，因而产生反向电势叠加在关断电压上，形成关断电压尖峰，同时，开关电源中的电压中断还会造成电流瞬变对变压器一次侧线圈产生影响，让电磁干扰返回到配电系统中，对设备安全运行造成影响。

（2）开关电源的整流电路如图1中的VD1～VD4。当输出整流二极管截止时会产生一个反向电流，硬恢复特性二极管是能将反向电流迅速恢复到零的二极管，此二极管在变压器产生漏感和其他分布参数的干扰下会造成很强的高频干扰（几十兆）。当开关电源中的整流二极管正向导通的时候会流过较大的正向电流，当其反向截止的时候，电流会反向流动，这是由于PN结中会有很多载流子积累，在载流子消失之前，其反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化（di/dt）。

1.2 反激式开关电源关键元器件的高频模型

开关电源中的元器件在低频段的时候可以用电路网络来描述其耦合通道，但是随着研究的频带越来越宽，元器件的杂散参数对耦合的通道性能影响很大，电磁干扰的通道中会产生分布电容，各元器件的频率特性也发生了相当大的变化。因此在设计开关电源的时候要充分考虑各元器件的高频工作特性。

1.2.1 MOSFET的高频模型

图2所示为MOSFET在PSPICE中的等效模型［8］。其中RG为门极电阻，DR为漏极电阻，RB为源极电阻，Cgd为栅极－源电容，Cgs为漏－源电容。

图2 MOSFET的高频模型

MOSFET作为开关器件，工作时由于开关管的存储时间、输出级的大电流、开关整流二极管的反向恢复时间等，会造成电路回路的瞬间短路，从而产生很大的短路电流。该MOSFET电路模型考虑了场效应管的直流特性，电荷存储效应以及并联二极管。本文将以此模型为依据进行反激式开关电源建模，并进行原理图级的仿真，得到原理上的一些改进措施建议。

1.2.2 变压器的高频模型

图3所示为变压器的高频仿真模型。LP为初级线圈的泄露电感，TX为理想线性变压器。变压器的寄生元件是绕组电容C，开关电源中变压器主要由一个理想变压器、耦合电容、漏电感及绕线电阻组成，功能是完成电压的变换、电气隔离和能量存储。变压器在工作时如果电容滤波的容量不足或者是高频特性不好，电容高频阻抗会使电流以差模方式传导到交流电源形成传导干扰。变压器性能的一个重要参数就是漏电感。MOSFET从导通转向截止时，变压器中的漏电感LP会产生一个叠加在关断电压上的反电势造成开关电压尖峰，漏电感和电路中的寄生电容会形成一个谐振电路，当连续脉冲电流通过变压器时将产生振荡，形成传导干扰。

图3 变压器仿真模型

变压器的仿真模型建立是个很复杂的过程，本次仿真中利用了线性变压器，再串联电感和电阻模拟实际变压器的漏电感和绕线电阻。

2 抑制开关电源传导干扰的措施

反激式开关电源中，常用的抑制传导措施有如下几种：

（1）根据差模干扰的原理，在整流后加π型滤波器［6，7］、输入级加X电容。如图4所示的 Cx1和 Cx2其取值范围为0.1～1μF。

图4 π型滤波电路

图4π型滤波电路中的Ldm为一个高阻抗的大电感，串联在电路中，之所以使用此类型电感是因为开关稳压电源频率谐波噪声源阻抗为低阻抗。电网中零线与火线相连为低阻抗，所以输入端的滤波器也是串联大电感Ldm。在滤波器输入端口并接电容Cx1可以进一步地抑制差模噪声，其阻抗要求远低于谐振频率ω0C0，即≪ωC。开关电源中的谐波噪声源阻抗00为高阻抗，因此滤波器中的输入端应接入一个大电容Cx2，该电容为低阻抗型，也要求≪ωC，其完整电00路如图4所示。

（2）根据共模干扰的原理：输入级加共模扼流圈、Y电容、前后级跨电容。如图5所示，由于变压器T的谐振、开关管PM中MOS管的振荡，造成谐波的成分非常复杂，在当前的工程实例中，通常会抑制30 MHz以下频率噪声。然而电网中含有大量的电流谐波分量，其脉冲型的电流波会让电源的输入功率因数降到很低。针对此现象工程上通常会使用一个扼流圈Lom，将其接入到电网和整流桥之间，通过此方法来抑制其高次谐波，达到很好地抑制效果。共模扼流圈的结构是由一个磁环的上下两个半环分别绕匝数相同方向相反的线圈构成，当共模干扰出现的时候，其总电感值会迅速增大从而会形成很大的感抗来抑制共模干扰。图5中共模扼流圈Lom的等效电感为L，与Cb组成低通滤波器。Cb容量范围为2 200 pF～0.033μF，电阻R的作用是消除在滤波器中可能会出现的静电积累。输入端为电源端，电网作为输出端。

图5 共模干扰滤波电路

其传递函数为

幅值为

相位为

截止频率为

在低频段

在高频段

可见ω0以上的高次谐波都能通过滤波电路滤除，达到很好的滤波效果。而在开关稳压电源中，扼流圈L在工作时会呈现比较低的阻抗，同时对电网频率中的差模电流呈现低阻抗的效果也很明显，因此其对电网的压降会很低；但对电源会产生一个高频的共模噪声，其等效阻抗较高。因此可以选择合理的插入损耗，从而使抑制共模干扰的效果达到最佳。

3 仿真结果

本文以一个100～400 VDC输入，5 V/4 A输出，工作于80 kHz下的反激式开关电源为例进行研究。并以UC3842为关键的PWM控制器，PCB平面式变压器为设计的关键变换器件。其中变压器关键参数为：

输入电压：100～400 VDC；输出：5 V/4 A；工作频率：80 kHz；初级线圈匝数：54，直流铜阻4Ω；次级线圈匝数：4，线厚70μm，直流铜阻60 mΩ；变压器型号：FEE18，气隙：0.9 mm。其原理图如图6。由此得到简化原理图如图7。

由于采用原始的PWM控制器仿真，需要时间过长。而对于固定输入和固定负载情况下，控制器只工作于某一对应的工作点，而不会频繁调整于整个工作点范围。故本处采用简化的模型来代替某个工作点，并对此进行仿真分析，查看其工作情况，提高仿真速率。

（1）对于抑制差模干扰，采用整流后加π型滤波器、输入级加X电容的措施，仿真效果如图8。

图8是加π型滤器与不加时的频谱图。可以看到，在低频阶段，相差不大，但是越往高频，加滤波器的效果越好。所以，在整流后加入有效的π型滤波器，对于抑制传导干扰，也是一种有效的措施。

（2）对于抑制共模干扰，采用输入级加共模扼流圈、Y电容、前后级跨电容。采用加共模扼流圈的仿真图如图9。

图6 开关电源的原理图

图7 开关电源简化理图

图8 抑制差模干扰仿真图

图9 抑制共模干扰仿真图

从图9来看，参数不是很理想，效果不是很明显，但在放大的频谱图中，还是可以看到加入扼流圈后，频谱会低一些。而在实际应用中，这个措施的效果还是比较显著。共模扼流圈应选用磁导率高、高频性能好的磁芯。采用输入级加Y电容和π型滤波器效果仿真图如图10。

图10 加入Y电容与不加对比图

图10中，虚线为不加Y电容，实线为图8中加入4.7μF的Y电容效果。可以看到，加入4.7μF的Y电容后，效果非常明显。当然，由于实际的电容与理想电容还是有较大区别，因此，实际中不可能滤波效果如此好。但总的滤波趋势是这样的。

采用加入前后级跨电容的仿真图如图11。

图11中，分别表示图8中加入前后级地间跨入1μF的Y电容和不跨Y电容时的频谱效果。可以看到图8中电路前后级跨入Y电容后，幅度整体下降了一个量级。低频高频都有不同程度的降低。

图11 前后级间跨接电容与不加对比图

4 结 论

本文研究了基于反激式开关电源传导干扰的抑制，包括对差模和共模干扰具体元器件对干扰抑制的效果进行了仿真研究。包括π滤波器，输入x电容，共模扼流圈等。结果表明，上述技术明显提高了开关稳压电源的抗干扰性能，使电磁干扰的抑制技术得到进一步优化。将传导干扰抑制在标准限制范围的改进措施，整改后可让传导干扰强度从100μV降到200 nV并通过认证。在实际工程中应该全面考虑开关电源的各种电磁干扰，选用多种抑制电磁干扰的方法加以综合利用，使电磁干扰降到最低，从而提高产品的质量与可靠性。本文只是给出了反激式开关电源传导干扰抑制一些办法及分析手段，与实际产品还有一定差别。其中一个重要的因素，就是仿真分析的准确度，受限于模型的精度。精确的模型建立，需要以精确的实际测试数据为依据。这是实际工作中，需要特别注意的地方。

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