智能投饵机开关电源分析与仿真

摘要：投饵机的开关电源和主负载电动机产生大量的EMI，使投饵机工作性能下降，故障率高。本文分析投饵机开关电源的EMI，采取多种抑制干扰措施，利用PSPICE仿真软件工具，合理地调整电路元件参数，通过电磁兼容设计使投饵机开关电源能够协调、有效地工作，提高了产品稳定性和抗干扰能力。
关键词：开关电源；PSPICE仿真；滤波器

0 引言
开关电源效率高、体积小、重量轻、带负载能力强、工作环境宽且节能，某校自动化研究所研发的智能网箱投饵机采用了开关电源，但存在较为严重的干扰，工作不够稳定。在投饵机开关电源中，电源的开关管的快速通断，引起电压和电流的快速变化。这些瞬变的电压和电流，通过电源线路、寄生参数和杂散的电磁场耦合，会产生大量的电磁干扰(EMI)；投饵机主要负载电动机间断式的起动也会产生大量的EM-I，通过供电电路影响开关电源的正常工作。文献指出EMI现象普遍存在，却不能完全消除，但能通过阻尼、滤波、接地、屏蔽和改善电动机制作工艺等措施尽量减少电动机对系统工作造成的EMI。为此，投饵机开关电源的设计要正确了解和把握其EMI源、产生机理和干扰传播途径，从多方面入手提高抗干扰能力，采取相应的抗干扰措施以使设备正常运行。

1 投饵机开关电源工作原理
投饵机供电原理方框图如图1所示，电机控制器供电为单端输入、双端输出反激式开关电源，输入220V的AC工频电压，输出20V和5V直流电压。开关电源在不考虑辅助保护电路的情况下整体电路由六个分模块构成，分别为输入滤波、输入整流滤波电路、UC3843的驱动电路、变
换器模块、输出整流滤波和输出检测电路。交流电压经过输入滤波和整流滤波电路得到310V直流电压，通过功率开关管将输入的直流电压转变成一系列的方波信号施加于脉冲变压器初级绕组上，再通过脉冲变压器的电磁能量转换与传递，经过输出整流滤波电路处理后，一方面通过反馈电路给UC3843脉冲控制器控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的；另一方面给负载提供所需要的优质电压和功率。

2 电源EMI分析与抑制
2．1 EMI与传播
由开关管和高频变压器组成的开关电路是开关电源的主要干扰源之一。它产生的干扰频带较宽且谐波丰富，这种脉冲干扰产生的主要原因是：开关管导通瞬间du／dt值较大，作为感性负载的高频变压器初级线圈将产生较大幅度的浪涌电压，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和开关管集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在脉冲电压上，形成电压尖峰。电源电压中断也会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这种瞬变是一种传导型EMI，既影响开关电源正常工作，还会干扰其他设备的安全运行。另外，高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导干扰。
开关电源工作在高频状态，因而其分布电容不可忽略。高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，产生共模干扰；脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容，将在直流输出的两条电源线上产生共模干扰。
投饵机电动机在控制器作用下间断式工作，绕组中突变磁场使线圈产生瞬变过电压。当电动机在额定负载下正常工作时，若突然切断供电电流，此时，电枢仍在高速旋转，在电动机定子的励磁下，转子电枢绕组会产生自感电动势。感应电动势与原电枢电动势同方向叠加，形成过电压，其瞬态峰值可达额定电压的6～8倍，上升时间约为100 μs；另一种瞬变过电压，是在突然切断供电电流时，线圈绕组中会产生电感性负载冲击，其瞬变电压大多以向脉冲和随后的低幅值的正向脉冲出现，最高峰值可达到额定电压的10倍以上，持续时间约为300ms。这些电压类似于一阶电路的指数衰减曲线形状，它能产生极大的能量泄放，会窜入控制回路，对系统中电源及控制装置产生相当大的电能冲击，干扰其正常工作，导致系统失效和逻辑判断出错，甚至击穿或烧毁电路元件。[p]
2．2 EMI抑制
以上系统研究的EMI现象属于近场的范围，研究其EMI时，主要考虑的是传导干扰，传导干扰包括差模干扰和共模干扰，差模干扰是产生于电源正负之间的对称性干扰：共模干扰是产生于电源正负之间的非对称性干扰。开关电源的EMI抑制技术除屏蔽、接地等常用方法外，本设
计主要从减小干扰源的EMI能量；切断干扰传播途径；提高受扰设备的抗干扰能力等方面入手提高设备抗干扰能力，采用措施如图2所示。

3 电路的PSPICE仿真
3．1 EMI滤波器的建模
EMI滤波器由共模扼流圈、差模扼流圈和电容等组成。共模扼流圈由绕向相反、匝数相同的两组线圈组成，当有共模干扰流过时，两组线圈在磁环里感应产生的磁通方向相同，产生叠加，从而使得磁通量迅速上升，铁氧体的导磁率很高，可以获得很大的电感量，对共模干扰起到抑制的作用。差模扼流圈由匝数和绕向均相同的两个线圈组成。当差模扼流圈上流过差模干扰时，两组线圈在环形磁芯里产生方向相同的磁通，因为差模干扰在两组线圈上幅值相等相位相反，所以产生的磁通相叠加，产生了很大的电感，对差模干扰起到抑制作用。
如图3(a)所示，L3、L4、Cx1、Cx2用于滤除差模干扰信号，Cx1、Cx2为电源跨接电容，又称X电容。L1、L2、Cvl、Cv2用于滤除共模干扰信号。L1、L2和L3、L4要求圈数相同，绕向符合共模扼流圈、差模扼流圈要求。

共模等效电路如图3(b)所示，滤波器模型为一个二阶LC型低通滤波器，将等效共模电感记为LCM，等效共模电容记为CCM，则有LCM=L1+L 2，CCM=2Cy。
差模等效电路如图3(c)所示，滤波器模型为一个三阶CLC型低通滤波器，将等效差模电感记为LDM，等效差模电容记为CDM(令Cx1=Cx2且认为Cy／2Cx2)，则有LDM=2L3+L1，CDM=Cx1=Cx2。
图3(b)和图3(c)滤波器截止频率为

3．2 高频变压器的建模
实际变压器的绕组中存在着分布电容，尤其存在于线圈导线和变压器磁芯之间以及各绕组之间。电容量的大小取决于绕组的几何形状、磁芯材料的介电常数和它的封装材料等。综合考虑变压器实际，设计高频变压器的原始模型如图4(a)所示，若将副边漏感、次级绕组电阻、次级分布电容分别折算到原边，并将原、副边漏电感、绕组电阻、分布电容等效组合，得到图4(b)简化的等效电路。

[p]
对图4(b)电路进行仿真得图5波形，变压器输入波形和输出波形分别如图5(a)、(b)所示。可见，由于分布参数的存在，在上升沿和下降沿具有上下冲尖峰存在，这是互感和漏感在开关转换瞬时引起电压尖峰，是EMI的主要来源，必须加以控制。为此，改进电路如图4(c)所示，
C7、C8、C12为匝间耦合电路，C11为绕组间耦合电容，在变压器绕制时，尽量减小分布电容C11，以减小变压器原边的高频干扰耦合到次边绕组。另外为进一步减小EMI，可在原、次边绕组间增加一个屏蔽层，屏蔽层良好接地，这样变压器原、次边绕组对屏蔽层间就形成耦合电容C9、C10，高频干扰电流就通过C9、C10滤除。
3．3 投饵机开关电源仿真
投饵机开关电源整体仿真原理图如图6所示，电路接入输入EMI滤波器和输出EMI滤波器进行仿真，得出图7、图8的仿真结果。表1为差模损耗曲线参数表，对应第一、第二和第三组参数高频差模损耗曲线如图蓝、红、绿所示。由图可知，差模电容的取值在高频区影响较小，差
模损耗曲线几乎重合。电感是影响滤波器差模频率的主要因素。电感大，滤波器的差模频率特性越好，但存在着磁芯饱和问题，它们的取值都不能过大。

图8为电路接入输出滤波器前后的PSPICE仿真波形，对比分析图8(a)和图8(b)，可以看到没接输出滤波器前的图形干扰严重，当接入滤波器后，滤除了很多干扰，效果明显。
针对功率开关管的漏极的尖峰电压，常采用RC吸收回路来减小尖峰电压。RC的数值要根据高频变压器的工作频率来选择。对已经确定RC常数的回路来说，电阻值与电容值要合理分配，电阻值过大，尖峰电压吸收效果差；电容值过大，将会使功率开关管的导通电流增大，电源效率损失较多。图9为接入RC吸收电路前后的仿真图，从图9(a)、(b)可见接入RC吸收电路后，尖峰电压干扰得到明显抑制。

4 结束语
本文针对投饵机开关电源，分析了产生干扰的重要原因，使用PSPICE仿真软件组建器件的模型进而得出开关电源的高频电路模型。并对开关电源的传导EMI进行仿真，通过PSPICE仿真对比，可以明显地看到相关电路的设计效果。EMI是很复杂的问题，投饵机开关电源以PSPICE仿真为依据，调整了电路元件参数。结果证实，产品电气性能的可靠性得到大大提高，本文可以为同类产品的电路设计提供一定的参考和借鉴。