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怎么进行高频开关电源EMI的等效电路剖析?

一、高频开关电源传导EMI 发生的本源

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测验传导EMI 的线路图

怎么进行高频开关电源EMI的等效电路剖析?

LISN— Line Impedance Stabilization Network 源阻抗安稳网络(人工电源网络)。

LISN 是电力系统中电磁兼容中的一项重要辅佐设备。它能够阻隔电网搅扰,供应安稳的测验阻抗,并起到滤波的效果。

LISN 是在进行传导搅扰发射测验中,为了客观地查核受试设备(DUT)的搅扰,在电网与受试设备之间参加的网络。该网络具有以下功用:


1)、在规则的频率范围内供应一个规则的安稳的线路阻抗。因为电网受各种要素影响,使其线路阻抗不安稳。可是,在传导搅扰的丈量中,阻抗是十分重要的。为了用电压法在进行传导发射电压的丈量中能有一个统一的测验条件,而人为的拟制一个安稳的线路阻抗。一般在射频段供应50Ω网络阻抗。

2)、LISN 将电网与受试设备进行阻隔。供应DUT 的电源有必要是纯洁的。否则,电网将会向DUT 注入搅扰,EUT 也会向电网馈入搅扰,这就会在EMC剖析仪上搞不清哪些是EUT 上的搅扰。所以,只要将二者阻隔,丈量成果才是有效的。

3)、使用LISN 的高通滤波器使DUT 发生的搅扰信号耦合至EMC 剖析仪上,并阻挠电网电压加至EMC 剖析仪。供电电源能够是直流,也能够是沟通,图顶用直流电压源表明,负载用直流电流源表明。

A:在供电电源低频段,上述EMI 测验线路可等效为:


此刻L1 和L2 可等效为短路,C1 和C2 可等效为开路,低频电流(功率电流部分)不会流入LISN 的两个测验电阻,LISN 不影响高频开关电源的正常作业点。

B:在EMI 规范规则的频段内,上述EMI 测验线路可等效为:


此刻L1 和L2 可等效为开路,C1 和C2 可等效为短路,无高频重量的输入电压源和负载也可别离等效为短路及开路,高频开关电源用其EMI 等效电路等效,它发生的EMI 因LISN 的存在,不会流进输入,而直接流进LISN 的两个电阻,其等效电路如下:


电阻R1 和电阻R2 两头的电压能够用如下式子进行标明:


V1(t) 和 V2(t) 别离是线1和线2上的EMI噪声电压,测验时用其频谱标明,单位为dB/uV,从这个等效电路可初步判断,高频开关电源发生传导EMI 的本源是高频开关电源内的高频源及到负载之途径的阻抗。实践沟通电源的差模噪声是由摇晃的(脉动)电流发生的——但差模噪声源与电压源(电流在阻抗上构成必定的电压)更为类似。另一方面,共模噪声是由摇晃的电压引起的(快速改变的电压在寄生电容上构成快速改变的电流),但共模噪声源更像是电流源。这正是共模噪声更“顽固”的原因,像任何电流源一样,它们要求有流通的回路。因为其途径包含机架,所以外壳变成了高频天线。


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发生传导EMI的本源


一个高频开关电源的传导EMI 等效电路,可用下面的一般结构加以表明:


从传导EMI 等效电路可知,发生传导EMI 的本源有三个,一个是EMI 源(在高频开关电源中,往往是功率开关器材电压或电流波形中的沟通重量),一个是EMI 途径(与详细拓扑结构有关),再一个是EMI 的负载。等效电路中的EMI负载是固定的50Ω电阻,而改换的是EMI 源及EMI 途径(用EMI 阻抗等效)。怎么确定用不同功率改换器、不同操控方式等等完成的高频开关电源之传导EMI 等效电路是剖析和规划传导EMI 滤波器的要害,一起也是知道按捺传导EMI 的有力手段。

二、高频开关电源的传导EMI 等效电路

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反激式高频开关电源的传导EMI 等效电路

(1)电路原理图


(2)两种作业形式

在半个电网周期内,输入整流桥有两种大的作业形式,即:整流桥作业形式Ⅰ和整流桥不作业形式Ⅱ。


(3)作业形式Ⅰ的EMI 等效电路推导

3-A、作业形式Ⅰ的等效电路(正负半周作业一样)


在作业形式Ⅰ的状况下,两种作业作业形式在正负半周都会呈现,此刻整流桥是导通作业的。

3-A-1:作业形式Ⅰ在有LISN 时的等效电路


3-A-2:作业形式Ⅰ在有LISN 时的等效受控源电路


开关改换器的时变要素与非线性要素主要是由开关元件导致的。为了使改换器的等效电路成为线性电路,开关元件均匀模型法采取了对开关元件直接进行剖析的方法。

首要对开关元件的电压或电流变量在一个开关周期内求均匀,并用以该均匀变量为参数的受控源替代开关元件,得到等效的均匀参数电路。均匀参数等效电路消除了变量波形中因开关动作引起的脉动,即消除了时变要素,但仍然是一个非线性电路。这样的电路因为一起包含了直流重量与沟通重量的效果,称为大信号等效电路。

其次,若使大信号等效电路中的各均匀变量均等于其对应的直流重量,一起考虑到直流电路中稳态时电感相当于短路、电容相当于开路,能够得到改换器的直流等效电路,直流等效电路为线性电路;若使大信号等效电路中的各均匀变量分解为相应的直流重量与沟通小信号重量之和,即别离扰动,并疏忽小信号重量的乘积项(即二阶微小量)使其线性化,再除掉各变量中的直流量,能够得到改换器的小信号等效电路,小信号等效电路也为线性电路。可见,开关元件均匀模型法的指导思想仍然是求均匀、别离扰动和线性化。

上图中开关管Q 等效为受控电压源,整流二极管D 等效为受控电流源。有源开关Q 时而接通是输入电压Vg,时而短路,用状态变量输入电压的均匀值表征有源开关元件Q 的端电压是合理的,因而用一个电压操控的受控电压源来替代有源开关管Q;无源开关D 时而接通副边电感电流,时而开路,因为电感电流是一个状态变量,用电感电流的均匀值表征无源开关元件D 的均匀电流也是合理的,因而用一个电流操控的受控电流源替代无源开关元件D。

3-A-3:作业形式Ⅰ在有LISN 时的等效受控源均匀电路(直流等效)


上图直流等效电路图中,电感L1 和L2 等效为短路,电容等效为开路。

3-A-4:作业形式Ⅰ在有LISN 时的等效受控源均匀电路(沟通等效)


在沟通等效中,输出负载、电感等效开路,电容、供电电源等效短路。从图中能够看到,开关管 Q的沟通重量Vds(ac)(t)和二极管 D 的沟通重量Id(ac)(t)能够进行傅里叶改换,分解成不同频率成分的正弦波,频率不一样,阻抗也跟着改换,再使用叠加原理将不同频率成分构成的频谱起伏进行相加。

3-B-1:作业形式Ⅰ在原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的EMI 等效电路


在MOSFET 沟通电压重量独自效果下,副边电流源开路,因为副边流过电流为零,所以原边电流也为零,在此变压器就不起效果了,只要励磁电感Lm,将上述电路图简化其等效电路图为:


在MOSFET 独自效果下,其差模成分途径为:


其间,差模成分分两条支路,一条如赤色所示,另一条如蓝色所示。在此等效电路中,滤波电容CB 一条支路给差模成分供应了途径,能够知道如果减小滤波电容CB 的阻抗,则对差模成分分流更多,在电阻R1 和R2 构成的电压会更小,仪器检测幅值更低,一般我们都选取等效串联阻抗较小的滤波电容。另一条支路中有激磁电感Lm,单从差模成分的按捺方面考虑,添加激磁电感Lm 的值能够添加阻抗,对差模成分也有杰出的按捺效果。

在MOSFET 独自效果下,其共模成分途径为:

可知,要想有效减小共模成分,则有必要要减小寄生电容Cpq 的容值,添加共模流经途径的有效阻抗。

作业形式Ⅰ在原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的EMI 终究等效电路为:

在差模EMI 等效电路中,电阻R1 和电阻R2 处于串联流经差模电流,在电阻R1 和电阻R2 两头别离发生电压为Vdm(t),故在电阻R1 和电阻R2 串联等效电阻100Ω上发生2Vdm(t)。激磁电感Lm 感抗越大对差模按捺越好,对差模重量来说,CCM 形式比DCM 差模要好。

作业形式Ⅰ在原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的EMI 终究等效电路


3-B-2:作业形式Ⅰ在副边二极管沟通电流重量独自效果下的EMI 等效电路。


在低频(150KHz)状况下,疏忽变压器寄生电容(在高频状况下变压器层间电容、原副边电容不能忽视)。因为整流二极管对地电容无法构成共模回路,故在LISN 负载上无共模噪声。

作业形式Ⅰ在副边二极管沟通电流重量独自效果下的EMI 终究等效电路


差模EMI 等效电路


因为在低频状况下,副边二极管对地寄生电容无法构成共模回路,故没有共模EMI 等效电路。

(4)作业形式Ⅱ的EMI 等效电路推导

4-A:作业形式Ⅱ-Ⅰ的等效电路


在作业形式Ⅱ中,当D1-D4 都截止时,在LISN 上没有传导EMI 噪声,由下面的测验EMI 的等效电路可知,因没有噪声途径,故不会发生传导EMI 噪声。这种作业形式也可称为作业形式Ⅱ-Ⅰ。


4-B:作业形式Ⅱ-Ⅱ的等效电路

在作业形式Ⅱ中,会呈现D1-D4 中的一个二极管导通,其他三个二极管截止的状况,在这种状况下的EMI 等效电路与二极管悉数截止时的等效电路不同,与作业形式Ⅰ中的EMI 等效电路不同,这种状况称为Ⅱ-Ⅱ(非固有差模噪声)。

原因:在开关电压改变时,会呈现一个瞬间的电容充放电电流,此电流经Cpq、大地和LISN 中的一条支路,在电流最大值不能使整流桥中的一个二极管注册时,其状况就同前面所介绍的,整流桥中的四个二极管均截止,不会发生噪声;

当此电流使整流桥中的一个二极管导通(如0<VAB<VCD时的二极管D1),则其他二极管都会因反偏而截止,正本当这个电流减小到零后,二极管D1 应当截止,当因为整流桥中的二极管是十分慢速的,它无法在开关周期内被关断,所以便导致这个二极管在0<VAB<VCD一向导通;这样整流桥尽管不作业,但有一个二极管是导通的。

下面剖析在整流桥不作业但有一个二极管导通时(假定D1 导通)的EMI 等效电路。


4-B-1:作业形式Ⅱ-Ⅱ在有LISN 时的等效受控源均匀电路(直流等效)


4-B-2:作业形式Ⅱ-Ⅱ在有LISN 时的等效受控源EMI 电路(沟通等效)


4-C-1:作业形式Ⅱ-Ⅱ在原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的EMI 等效电路


上述等效电路中赤色虚线表明共模回路,无差模回路。可是只要电阻R1 有噪声,能够实践理解为差模噪声。

作业形式Ⅱ-Ⅱ在原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的EMI 终究等效电路


依据前面的剖析,单一元件进行效果时差模回路和共模回路的途径,能够得出:


当有EMI 滤波器时,这个噪声中的差模噪声能够被转化为共模噪声,如4-C-1作业形式中的等效电路,参加差模电容Cx。

4-C-1:作业形式Ⅱ-Ⅱ在原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的EMI 等效电路


因为EMI 滤波器中的差模电容Cx,可使形式Ⅱ-Ⅱ中的差模噪声转化为共模噪声。

4-C-2:作业形式Ⅱ-Ⅱ在副边二极管沟通重量独自效果下的EMI 等效电路


故在作业形式Ⅱ-Ⅱ副边二极管对共模噪声和差模噪声均没有影响。

讨论:

---作业形式Ⅰ与作业形式Ⅱ下的传导EMI 是不同的;

---如在作业形式Ⅱ中的四个二极管均截止,则作业形式因无噪声途径而不发生任何传导EMI;

---如在作业形式Ⅱ中有一个二极管导通,其他三个二极管截止,则作业形式Ⅱ的共模EMI 噪声与作业形式Ⅰ根本相同,而作业形式Ⅱ的差模噪声有可能大于作业形式Ⅰ的差模噪声,也有可能小于作业形式Ⅰ的差模噪声,原因是作业形式Ⅱ在一个二极管导通时有一种非固有的差模噪声存在;

---非固有差模噪声可有经过输入EMI 滤波器中的X 电容,把其转变成对称共模噪声而彻底消除;

---上面的EMI 等效电路,仅仅是EMI 低频段的抱负等效电路;

---实践的EMI 等效电路,还要考虑变压器的寄生参数、PCB Layout 的引线电感等等;

---如考虑变压器的层间电容时,在其原副边间能够用一个电容参数,此刻副边二极管电流重量就会在EMI 负载上发生共模噪声,因为涉及EMI 滤波器参数时,只需考虑低频段的等效电路,故可将这一要素疏忽。但对实践高频段的EMI共模噪声进行剖析时,则还要考虑副边二极管沟通重量经过变压器层间电容对共模噪声的影响。

(5)反激改换器在AC 输入下的EMI 等效电路总结:

5-1:作业形式Ⅰ的EMI 等效电路


5-2-1:作业形式Ⅱ-I 的EMI 等效电路

当D1-D4 都截止时,在EMI 负载上无任何噪声,所以无EMI 等效电路。

5-2-2:作业形式Ⅱ-Ⅱ的EMI 等效电路

在作业形式Ⅱ-Ⅱ中:在原边MOSFET 电压独自效果时,会有一种非固有差模噪声,但可用EMI 滤波器中的X 电容将其转化为共模噪声。在副边二极管电流独自效果时,因无噪声回路,在EMI 负载上测不到噪声,所以其加X 电容后的EMI等效电容总结为:



三、高频开关电源EMI 的高频等效电路(DC/DC 反激高频开关电源)

直流反激高频开关电源的高频EMI 等效推导:


(1)原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的EMI 等效电路


(1)—A:原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的差模EMI 等效电路从


从差模EMI 在高频段的等效电路可知,差模等效电路的EMI 源除了和MOSFET电压波形、激磁电感、滤波电容的ESR 有关外,还与变压器、输入滤波电容和引线的其他寄生参数有关。这与在低频段时有很大的不同,相同的EMI 阻抗也与低频段有很大的不同。

(1)-B 原边MOSFET 沟通电压重量独自效果下的共模EMI 等效电路


从共模EMI 在高频段的等效电路可知,共模等效电路的EMI 源除了和电压波形、MOSFET 漏极与散热器之间的电容有关外,还与变压器的层间电容、二极管阴极与散热器之间的电容及滤波电容的寄生参数与引线电感等有关。这与在低频段时有很大的不同,相同的EMI 阻抗也与低频段有很大的差异。

(2):副边二极管沟通电流重量独自效果下的EMI 等效电路


(2)—A:副边二极管沟通电流重量独自效果下的差模EMI 等效电路


从差模EMI 在高频段的等效电路可知,差模等效电路的EMI 源除了和二极管电流波形、激磁电感、滤波电容的ESR 有关外,还与变压器、输入滤波电容和引线的其他寄生参数有关,这与在低频段有很大的不同,相同的EMI 阻抗也与低频段有很大的不同。

(2)—B:副边二极管沟通重量独自效果下的共模EMI 的等效电路


从共模EMI 在高频段的等效电路可知,共模等效电路的EMI 源除了和副边二极管电流波形有关外,还与变压器的层间电容、二极管阴极与散热器之间的电容及滤波电容的寄生参数和引线电感有关。这与在低频段时(可当作无共模途径)有很大的不同。


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