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反激式开关电源共模传导发射模型的分析与应用

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标签: 电源

电源

反激式开关电源共模传导发射模型的分析与应用

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反激式开关电源共模传导发射模型的分析与应用
½者:林思聪 陈 为 福州大学电气工程及自动化学院
摘 要 以反激式开关电源为研究对象,分析了其共模传导噪声的干扰源、传输通道以及变压器分布电容参
数对共模嗓声的½用,建立相应的共模传导发射分析模型和变压器分布电容模型;重点分析了二次侧干扰
源的½响及其½用机理,提出了一种简单½有效降½共模传导噪声的方法,并进行了实验验证。
关键词 开关电源共模传导噪声变压器分布电容
1
引言
开关功率变换器中非线性工½的开关半导½器件½成的非线性的电压和电流干扰噪声源通过变压器和功率
器件的分布参数及引线、PCB 走线等的杂散参数的耦合传播,½成
EMI
噪声,对公用电½造成严重的电磁
干扰。抑制
EMI
主要是从减小干扰噪声源和阻断耦合传播通道上着手的。对
EMI
的分析,比较有效的方
法是通过建立
EMI
噪声发射模型,分析模型中的各个½响因素,再进一步提出降½噪声的方法。许多文献
½对开关电源建立了噪声模型,甚至包括开关元器件、PCB 板走线、连线等高频模型,½存在的不足是没
½比较完整地考虑变压器分布参数的½响。有的只用一个耦合电容
Cps
来表达变压器一次绕组与二次绕组
间的噪声耦合关系,没有考虑二次侧干扰源的½用,所建立的共模传导发射模型不够完整。也有不少文献
对功率变压器高频模型进行研究,½主要是针对电气参数模型,如损耗、漏感、多绕组等的等效电路,而
不是针对
EMI
模型分析的。
本文以反激式开关电源为研究对象,分析其
EMI
干扰源及其共模传导发射传播机理,进一步建立了比较完
整的共模传导发射模型,并进行了实验验证。该模型考虑了一次侧开关管和二次侧整流二极管的干扰源效
应及其关系,细化了变压器一次绕组与二次绕组的耦合电容。在此基础上,进一步分析变压器绕组屏½对
分布电容参数及模型的½响,并提出了一种降½共模传导噪声的简单方法,进行了实验验证。
2
考虑二次侧干扰源½用的共模传导发射模型
反激式开关电源及共模传导发射测量原理图如图
1a
所示。虚线框内是实验中用来测量传导发射
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大小的采用
CISPR
标准规定参数的
LISN
电路。文献用一个电容
Cps
表示变压器的耦合电容,对干扰源仅
考虑一次侧开关管
M1
的½用,因此得出共模传导发射等效模型如图
1b
所示(输入和输出电容在高频下认
为短路,½略引线的高频效应)
对图
1a
的进一步分析,不难看出,开关电源二次侧的高频整流二极管也是一个干扰源,尤其是½输出电压
比较高时。
而仅仅引入一个
Cps
无法表达该二次侧干扰源的½响,
因此我们引入另一个变压器耦合电容
Csp,
来表达二次侧干扰源的½用通道。Csp 表示变压器二次侧绕组连到电½变化点(即二极管的正极)那一端
对一次绕组的藕合电容,如图
2a
所示。
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对于一次绕组与二次绕组间没有加屏½的变压器,Cps 很大(高达几百皮法)
,远远大于
Co,因此 Cps
½略。由此得到其共模传导发射模型如图
2b
所示。
对图
2b
模型的波½极性分析不难知道,一次侧干扰源与二次侧干扰源的½用极性是相反的,流过
LISN
抗的共模传导噪声总电流为
在实际电路参数中,½然
VM1-gnd
大于
VD1
较多,½如果½½得
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则,½有效地减小共模噪声电流
icm
或噪声电平
Vcm。
为验证上述模型和分析的正确性,对一台反激式单路输出开关电源进行实验测量。电源设计参数为:
输入交流:50Hz,85½220V
输出直流:15V,4A
开关频率:50kHz
由图
2b
模型及公式(1)可知,通过调整
Cpo、Co
Csp
的大小可以½共模噪声电压
Vcm
达到最小。因
Cpo
大小不易调整,为了直观地说明两个干扰源的½用及其极性的正确性,实验时,将图
2a
中的
B
点,即
输出电源负极连接到大地,½
Co
阻抗等于零;并在
Csp
两端(即变压器的
1、3
两端)通过并联外加电容,
以调整
Csp
的大小。利用示波器同时测量
LISN
的共模等效
25Ω电阻上的共模噪声电压 Vcm
MOSFET
M1
漏极对地电压
VM1-gnd
电压探头的具½½½如图
2b
中虚线所示。图
3a
显示了
Csp
较小时实测的
波½。从图中可见,Vcm 与
VM1-gnd
相½一致,说明此时是
VM1-gnd
对共模传导噪声起主要½用。
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½将
Csp
调整增加到一定值时,出现
Vcm
最小的情况,如图
3b
所示。
如果继续增大
Csp,LISN
上的
Vcm
波½改变了极性方向,此时
Vd1
对共模传导噪声起主要½用。波½如
3c
所示。
上述测量结果和所建模型的预测一致,从而证明了二次侧干扰源对共模传导噪声存在着½响,二次侧干扰
源通过
Csp
对一次侧噪声源产生的共模噪声的补偿½用以及所建立模型的正确性和有效性。
3
变压器存在屏½时的共模传导发射模型
由图
2b
模型及以上分析可知,合理的调整分布参数
Cpo,Csp
Co,可最大限度地降½共模传导电流。½
实际中,为保证一定的散热效果,Cpo 一般是固定的,而
Co
无法预测和调整,所以可以调整的参数主要为
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