基于saber的開關電源EMI仿真分析

（天津理工大學 電氣電子工程學院 天津市復雜系統控制理論及應用重點實驗室，天津 300384）

0 引言

開關電源作為電子設備的供電裝置，具有體積小、重量輕、效率高等優點，然而由于其工作在高頻開關狀態，屬于強電磁干擾源，其產生的電磁干擾會嚴重影響電子設備的正常工作。因此仿真分析和抑制開關電源EMI干擾，對設計開關電源和保證電子設備安全可靠工作有重要意義。

本文應用saber軟件對非隔離式buck型DC/DC變換電路進行研究，分析了該電路EMI干擾源，提出EMI干擾抑制方法。并在saber軟件中對系統共模和差模干擾仿真進行測試，驗證了本文提出的EMI抑制方法的有效性。

1 DC/DC變換器工作原理

非隔離buck型DC/DC變換器電路如圖1所示，是一種對電壓進行降壓變換的直流斬波電路。其中Vi、Vo表示輸入輸出電壓，S為IGBT功率開關管，Q為續流二極管，L、C表示濾波電感電容，R為輸出電阻。

圖1 DC/DC變換器

DC/DC變換器工作原理：驅動信號使S導通時，續流二極管Q反偏截止，如圖2所示，此時電源為負載提供能量，電感電流線性增加，其儲存的磁場能量增加，電容C開始充電；當S截止時，如圖3所示，由于電感電流不能突變，感應電動勢阻止電流減小，同時使續流二極管Q導通，電感儲能通過Q傳給負載，當負載電壓低于電容兩端電壓時，電容向負載放電。

圖2 S導通，Q截止

圖3 S截止，Q導通

對于buck變換器，根據電感的福特-秒平衡關系，可以得到CCM的直流電壓增益為：

占空比D為IGBT開關管S的導通時間與開關周期之比。由于D的值介于0和1之間，故該電路可實現降壓功能。

2 DC/DC變換器電磁干擾源分析

在saber中建立buck變換器仿真電路圖如圖5所示。該電路輸入36V電壓，輸出電阻設置為5歐，采用脈沖寬度調制矩形脈沖電壓源驅動IGBT開關管的開斷，脈沖電壓源參數設置如圖4所示，脈沖的頻率取決于脈沖電壓源的周期，這里取周期為1ms，即開關頻率為1kHz。

圖4 saber仿真圖

測得輸出電壓波形如圖5所示。可看出該電路可實現穩定的降壓，降壓后輸出直流電壓為16V。

圖5 輸出電壓波形圖

2.1 功率開關管的電壓、電流尖峰干擾

當開關管S導通時，開關管流過電流is，由于電路存在漏感，在開關管斷開瞬間，電路將在漏感上產生一個極大的感應電壓Up以阻礙電流的突變，該電壓以浪涌電壓的形式加在S上，產生電壓尖峰，S關斷等效圖如圖6所示。

圖6 S關斷等效圖

當開關管在很高的電壓下開通時，儲存在開關器件電容中的能量將以電流的形式全部耗散在該器件中，頻率越高，開通電流尖峰越大。saber仿真電路中測得IGBT漏的電壓尖峰如圖7所示。

圖7 IGBT電壓尖峰

2.2 功率二極管引起的干擾

功率二極管從導通變為截止時，由于關斷的時間很短，容易產生反向電流的浪涌。由于反向恢復電流降到0的速度很快，故di/dt很大，該電流將在環路中向周圍空間輻射高頻電磁波，干擾敏感原件。測得二極管上的電流尖峰波形圖如圖8所示。

圖8 二極管電流尖峰波形

3 EMI測量

該DC/DC變換器中的干擾主要通過傳導的方式耦合，選用LISN（Line Impedance Stabilization Network）進行傳導測試。LISN即線路阻抗穩定網絡，是EMC測試的重要輔助設備。LISN將電源與受試設備DUT進行隔離，并提供穩定的線路阻抗。常規的150kHz-100MHz測試頻段的DC_LISN拓撲結構圖如圖9所示。其中L1=5uH，C1=0.2F，C2=0.1uF，R1=1Ω，R2=1kΩ，R3為接收機內阻抗，R3=50Ω。

圖9 LISN結構圖

LISN測量原理圖如圖10所示。其中IL、IN分別為相線和中線的干擾電流，ICM、IDM分別為共模和差模電流。共模干擾通過L線、N線、地形成干擾回路，差模干擾通過L線、N線形成干擾回路。

圖10 LISN測量原理圖

由圖10可以得到共模和差模干擾電流：

推導得到回路差模和共模干擾電壓為：

在saber電路模型直流電源輸入端加入LISN阻抗網絡，EMI測量圖如圖11所示。根據上述分析，應用saber軟件中Cosmos Scope的波形計算器計算系統共模和差模干擾電壓，測得回路共模和差模EMI干擾頻譜圖如圖12所示。

圖11 EMI測量圖

圖12 共模及差模測試結果

該頻譜圖顯示了回路在10kHz到10MHz頻段內的共模和差模干擾，由圖可看出在該頻段內的系統共模干擾明顯大于差模干擾。

4 EMI抑制和仿真

針對電路中較強的EMI干擾，本文采用在電源輸入端加入EMI濾波器的方法抑制傳導EMI干擾。

典型的EMI濾波器結構如圖13所示。C1、C2是差模電容，CY1、CY2是共模電容，L1是共模扼流圈，兩個繞組分別接在零線和火線上。對于共模干擾電流，兩個線圈產生的磁場是同方向的，會呈現較大電感，起到衰減共模干擾信號的作用。共模扼流圈通常采用導磁率高、頻率特性好的鐵氧體磁性材料。

L2、L3是差模扼流圈，是一個繞組單獨接在零線和火線上的濾波電感器，可抑制回路的差模干擾。

圖13 EMI濾波器結構

取差模電容C1為0.47uF，C2為0.1uF，Y電容容量一般不大于0.1uF，總容值一般都不超過4700pF，該系統選用的CY1、CY2均為2200pF。考慮到阻抗和頻率，共模扼流圈一般取1.5～5mH，這里取為2mH，差模扼流圈一般取10～50uH，這里取為10uH。

將上述EMI濾波器接入DC/DC變換器的電源輸入端，重新測試系統共模和差模干擾信號，結果如圖14和圖15所示。其中CM和DM分別是加入濾波器之前的共模和差摸干擾；CM1和DM1為加入濾波器后測得的共模和差模干擾，由測試圖可看出加入EMI濾波器之后，系統共模和差模電磁干擾均有明顯的降低。說明該EMI濾波器有效降低了系統EMI干擾。

圖14 共模干擾測試結果

圖15 差模干擾測試結果

5 結束語

基于saber仿真軟件建立了非隔離型buck直流變換器電路模型，在該模型基礎上分析了電路工作原理以及EMI產生機理，提出了EMI抑制措施，并在saber軟件中進行了仿真驗證。測試結果證明本文提出的抑制方法可有效抑制開關電源的EMI干擾。這對開關電源設計初期EMI分析抑制有重要參考價值。

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