開關電源傳導干擾建模與仿真分析＊

鮑敬源 崔 楊 王碩威 邱紫敬

（1．海軍駐中國艦船研究設計中心軍事代表室 武漢 430064）（2．中國艦船研究設計中心 武漢 430064）（3．中國科學院武漢物理與數學研究所 武漢 430061）

1 引言

開關電源是一種電能轉換裝置，具備質量輕、體積小、可靠性好、功耗低等優點。其電源效率比傳統的線性電源提高了一倍。開關電源中功率開關管的高速開關動作（從幾十千赫到數兆赫）形成了電磁干擾源，其交變電壓和電流會通過電路中的元器件產生很強的尖峰干擾和諧振干擾。在開關電源中主要存在的干擾形式是傳導干擾和近場輻射干擾，傳導干擾會注入電網，這些干擾嚴重污染了電網，影響了鄰近電子設備的正常工作。開關器件在開關的瞬間會產生較大的尖峰電壓和電流，并通過電路元器件的寄生參數在電路中形成差模傳導干擾和共模傳導干擾［1～5］。

本文介紹了線性阻抗穩定網絡的模型，分析了充電電源的差模干擾和共模干擾的傳導模型，并在Saber軟件中對充電電源主電路進行了傳導干擾建模和仿真分析。

2 線性阻抗穩定網絡建模

在對開關電源進行傳導發射和輻射發射測試時，在電源的輸入端會連接一個電源線性阻抗穩定網絡（Line Impedance Stabilization Network，LISN）［6］。一般來說，LISN既可以防止電網對電源的干擾，又可以防止電源對電網的干擾，同時在進行傳導干擾測試時可以為EMI接收機提供一個穩定的歸一化阻抗，標準為50Ω。

如圖1所示，在LISN 輸入端，50μH 的電感用于防止電網的噪聲干擾電源和EMI接收機，50Ω的電阻上的電壓V1和V2分別表示L 線和N 線的干擾電壓，差模噪聲VDM和共模噪聲VCM分別表示為［7］：

圖1 線性阻抗穩定網絡的仿真模型

圖2 共模和差模噪聲傳播路徑

如圖2所示，差模干擾指電流iDM在相線和中線之間流動形成的噪聲，共模噪聲指iCM電流在相線或中線與地線之間流動所形成的干擾［8］。差模噪聲主要由di／dt引起，EMI干擾源主要通過電源元器件的寄生參數和PCB 的寄生參數傳導；而共模噪聲主要由du／dt引起的，主要通過器件間的雜散電容傳播。

3 車載充電電源的共模和差模噪聲的高頻電路模型

根據以上幾節討論的元器件高頻模型，可以得到開關電源boost PFC 電路到半橋式拓撲變換器兩級的共模和差模干擾［9］電路模型。圖3給出了開關電源的共模傳導干擾的傳播路徑，CP1為boost電路中開關管與散熱器之間的雜散電容，共模傳導電流當三極管導通時，CP1放電，當三極管關斷時，CP1充電。共模傳導電流的大小與電容CP1和漏源極電壓變化率成正比。而當開關管開通和關斷的瞬間，電壓變化率非常大，再由于電路中的寄生參數作用，開關瞬間容易造成阻尼振蕩［10～11］。同樣地，CP2、CP3、CP4和CP5分別是半橋式DC-DC變換器中的三極管以及二極管對散熱器的雜散電容。共模電流從LISN 出發，經過Boost的雜散電容、半橋式變換器一次側的雜散電容以及變壓器二次側的雜散電容流入大地最后回到LISN，形成共模傳導干擾回路。

圖3 CM 噪聲傳播路徑

圖4 DM 噪聲傳播路徑

圖4給出了充電電源的差模干擾電流的傳播路徑，差模干擾主要跟電路中的元器件寄生參數和PCB走線的寄生參數有關，差模電流由L 線經電路中元器件及PCB走線回到N 線。

4 車載充電電源主電路的傳導干擾仿真及結果分析

4．1 傳導干擾仿真電路

根據以上元器件的高頻模型，組建了開關電源的傳導干擾仿真電路，如圖5所示。車載充電電源的交流輸入為220V，經兩級Boost PFC 和半橋DC-DC電路后，輸出為72V 直流。工作在CCM 模式，兩級電路的開關管工作頻率均為50kHz。

我們采用Saber軟件進行傳導干擾仿真，Saber軟件是Synopoys公司開發的EDA 設計軟件，是一款先進的系統級仿真軟件，可以為汽車電子、航空航天、通信系統提供系統仿真。本節將利用Saber軟件對充電電源的傳導干擾電路模型進行仿真分析，其中包含了LISN和各元器件的寄生參數以及開關管對地的寄生參數。在Saber中對電路進行瞬態分析，再通過波形計算器對波形進行FFT 計算得到輸入線、差模干擾和共模干擾的頻譜圖。

4．2 傳導干擾仿真分析

以下四種情況都是對LISN 的兩個電阻進行瞬態仿真，仿真時長為30ms，步長為10ns，截斷誤差為0．1μ。在對時域結果進行FFT 變換時，頻段取為450kHz～30MHz。

圖5 車載充電電源的傳導干擾仿真電路

第一種情況，采用理想元器件，不加任何寄生參數，圖6和圖7分別表示理想狀態下的共模傳導干擾和差模傳導干擾頻譜，可見，在450kHz～30MHz內，干擾頻譜在0dBμV 以下，干擾值非常小。

圖6 理想情況下的共模傳導干擾頻譜圖

圖7 理想情況下的差模傳導干擾頻譜圖

第二種情況，當增加元器件寄生參數時，包括元器件的高頻模型和PCB 走線的寄生參數，此時，共模和差模傳導干擾頻譜圖如圖8和圖9所示。差模傳導干擾在整個頻段內上升了60dBμV～70dBμV，共模干擾上升了30dBμV。證明在考慮元器件的寄生參數時，差模干擾起主導作用。

圖8 加元器件寄生參數時的共模傳導干擾頻譜圖

圖9 加元器件寄生參數時的差模傳導干擾頻譜圖

第三種情況，當同時考慮元器件的寄生參數和開關管漏極與散熱器之間的分布電容時，圖10和圖11分別表示共模干擾和差模干擾的頻譜圖，此時共模干擾頻譜都有大幅度的上升，共模干擾占主要作用，主要通過開關管對地的電容傳導至電源線上。驗證了共模干擾是通過電源線和大地形成的干擾回路。

第四種情況，在輸入線上加一個EMI濾波器。濾波器如圖12所示，設置如下：共模電感L＝9．07mH，差模電容Cy＝470nF，共模電容Cx＝0．01μF。

可見，當在輸入線上增加EMI濾波器時，共模和差模干擾有顯著下降，如圖13和圖14，證明了在輸入線上增加輸入濾波器是有效降低傳導干擾的方法。

圖10 加元器件寄生參數和對地電容時的共模傳導干擾頻譜圖

圖11 加元器件寄生參數和對地電容時的差模傳導干擾頻譜圖

圖12 輸入濾波器的電路圖

圖13 加輸入濾波器時的共模傳導干擾頻譜圖

5 結語

圖14 加輸入濾波器時的差模傳導干擾頻譜圖

本文以Boost PFC和DC-DC開關電源主電路為研究對象，介紹了電路元器件的高頻模型和線性阻抗穩定網絡的電路模型，介紹了共模和差模電壓的計算方法，并根據開關電路的原理圖分析得出了其共模和差模干擾的傳播路徑。在Saber軟件中進行瞬態仿真分析，利用波形計算器對時域結果進行FFT 變換，得到共模和差模傳導干擾的頻域波形。分四種情況對電路的傳導干擾進行討論，驗證了共模傳導干擾主要是通過有源器件對地的雜散電容傳播干擾，差模傳導干擾主要是通過元器件的寄生參數和PCB 走線的寄生參數傳播的，并證明了輸入濾波器能有效降低電路的傳導干擾。

［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］馬偉明，張磊，孟進．獨立電力系統及其電力電子裝置的電磁兼容［M］．北京：科學出版社，2007．

［6］路宏敏，余志勇，李萬玉．工程電磁兼容［M］．第二版．西安：西安電子科技大學出版社，2010．

［7］楊光．高頻開關電源的EMI建模與仿真研究［D］．北京：北京郵電大學碩士學位論文，2008．

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

［9］和軍平，姜建國，陳為．離線式PWM 變換器傳導電磁干擾傳播通道研究［J］．電工技術學報，2004，19（4）：56-60．

［10］孟進，馬偉明，張磊，等．帶整流橋輸入的開關電源差模干擾特性分析［J］．電力電子技術，2006，21（8）：14-18．

［11］袁義生．功率變換器電磁干擾的建模［D］．杭州：浙江大學博士論文，2002．