0 引言
開(kāi)關(guān)電源效率高、體積小、重量輕、帶負(fù)載能力強(qiáng)、工作環(huán)境寬且節(jié)能，某校自動(dòng)化研究所研發(fā)的智能網(wǎng)箱投餌機(jī)采用了開(kāi)關(guān)電源，但存在較為嚴(yán)重的干擾，工作不夠穩(wěn)定。在投餌機(jī)開(kāi)關(guān)電源中，電源的開(kāi)關(guān)管的快速通斷，引起電壓和電流的快速變化。這些瞬變的電壓和電流，通過(guò)電源線(xiàn)路、寄生參數(shù)和雜散的電磁場(chǎng)耦合，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾(EMI)；投餌機(jī)主要負(fù)載電動(dòng)機(jī)間斷式的起動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生大量的EM-I，通過(guò)供電電路影響開(kāi)關(guān)電源的正常工作。文獻(xiàn)指出EMI現(xiàn)象普遍存在，卻不能完全消除，但能通過(guò)阻尼、濾波、接地、屏蔽和改善電動(dòng)機(jī)制作工藝等措施盡量減少電動(dòng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)工作造成的EMI。為此，投餌機(jī)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要正確了解和把握其EMI源、產(chǎn)生機(jī)理和干擾傳播途徑，從多方面入手提高抗干擾能力，采取相應(yīng)的抗干擾措施以使設(shè)備正常運(yùn)行。
1 投餌機(jī)開(kāi)關(guān)電源工作原理
投餌機(jī)供電原理方框圖如圖1所示，電機(jī)控制器供電為單端輸入、雙端輸出反激式開(kāi)關(guān)電源，輸入220V的AC工頻電壓，輸出20V和5V直流電壓。開(kāi)關(guān)電源在不考慮輔助保護(hù)電路的情況下整體電路由六個(gè)分模塊構(gòu)成，分別為輸入濾波、輸入整流濾波電路、UC3843的驅(qū)動(dòng)電路、變
換器模塊、輸出整流濾波和輸出檢測(cè)電路。交流電壓經(jīng)過(guò)輸入濾波和整流濾波電路得到310V直流電壓，通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變成一系列的方波信號(hào)施加于脈沖變壓器初級(jí)繞組上，再通過(guò)脈沖變壓器的電磁能量轉(zhuǎn)換與傳遞，經(jīng)過(guò)輸出整流濾波電路處理后，一方面通過(guò)反饋電路給UC3843脈沖控制器控制PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的；另一方面給負(fù)載提供所需要的優(yōu)質(zhì)電壓和功率。
2 電源EMI分析與抑制
2．1 EMI與傳播
由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成的開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的主要干擾源之一。它產(chǎn)生的干擾頻帶較寬且諧波豐富，這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是：開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間du／dt值較大，作為感性負(fù)載的高頻變壓器初級(jí)線(xiàn)圈將產(chǎn)生較大幅度的浪涌電壓，由于初級(jí)線(xiàn)圈的漏磁通，致使一部分能量沒(méi)有從一次線(xiàn)圈傳輸?shù)蕉尉€(xiàn)圈，儲(chǔ)藏在電感中的這部分能量將和開(kāi)關(guān)管集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在脈沖電壓上，形成電壓尖峰。電源電壓中斷也會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線(xiàn)圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導(dǎo)型EMI，既影響開(kāi)關(guān)電源正常工作，還會(huì)干擾其他設(shè)備的安全運(yùn)行。另外，高頻變壓器的初級(jí)線(xiàn)圈、開(kāi)關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)干擾。
開(kāi)關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)，因而其分布電容不可忽略。高頻電流會(huì)通過(guò)分布電容流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，產(chǎn)生共模干擾；脈沖變壓器的初次級(jí)之間存在著分布電容，將在直流輸出的兩條電源線(xiàn)上產(chǎn)生共模干擾。
投餌機(jī)電動(dòng)機(jī)在控制器作用下間斷式工作，繞組中突變磁場(chǎng)使線(xiàn)圈產(chǎn)生瞬變過(guò)電壓。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下正常工作時(shí)，若突然切斷供電電流，此時(shí)，電樞仍在高速旋轉(zhuǎn)，在電動(dòng)機(jī)定子的勵(lì)磁下，轉(zhuǎn)子電樞繞組會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與原電樞電動(dòng)勢(shì)同方向疊加，形成過(guò)電壓，其瞬態(tài)峰值可達(dá)額定電壓的6～8倍，上升時(shí)間約為100 μs；另一種瞬變過(guò)電壓，是在突然切斷供電電流時(shí)，線(xiàn)圈繞組中會(huì)產(chǎn)生電感性負(fù)載沖擊，其瞬變電壓大多以向脈沖和隨后的低幅值的正向脈沖出現(xiàn)，最高峰值可達(dá)到額定電壓的10倍以上，持續(xù)時(shí)間約為300ms。這些電壓類(lèi)似于一階電路的指數(shù)衰減曲線(xiàn)形狀，它能產(chǎn)生極大的能量泄放，會(huì)竄入控制回路，對(duì)系統(tǒng)中電源及控制裝置產(chǎn)生相當(dāng)大的電能沖擊，干擾其正常工作，導(dǎo)致系統(tǒng)失效和邏輯判斷出錯(cuò)，甚至擊穿或燒毀電路元件。
2．2 EMI抑制
以上系統(tǒng)研究的EMI現(xiàn)象屬于近場(chǎng)的范圍，研究其EMI時(shí)，主要考慮的是傳導(dǎo)干擾，傳導(dǎo)干擾包括差模干擾和共模干擾，差模干擾是產(chǎn)生于電源正負(fù)之間的對(duì)稱(chēng)性干擾：共模干擾是產(chǎn)生于電源正負(fù)之間的非對(duì)稱(chēng)性干擾。開(kāi)關(guān)電源的EMI抑制技術(shù)除屏蔽、接地等常用方法外，本設(shè)
計(jì)主要從減小干擾源的EMI能量；切斷干擾傳播途徑；提高受擾設(shè)備的抗干擾能力等方面入手提高設(shè)備抗干擾能力，采用措施如圖2所示。
3 電路的PSPICE仿真
3．1 EMI濾波器的建模
EMI濾波器由共模扼流圈、差模扼流圈和電容等組成。共模扼流圈由繞向相反、匝數(shù)相同的兩組線(xiàn)圈組成，當(dāng)有共模干擾流過(guò)時(shí)，兩組線(xiàn)圈在磁環(huán)里感應(yīng)產(chǎn)生的磁通方向相同，產(chǎn)生疊加，從而使得磁通量迅速上升，鐵氧體的導(dǎo)磁率很高，可以獲得很大的電感量，對(duì)共模干擾起到抑制的作用。差模扼流圈由匝數(shù)和繞向均相同的兩個(gè)線(xiàn)圈組成。當(dāng)差模扼流圈上流過(guò)差模干擾時(shí)，兩組線(xiàn)圈在環(huán)形磁芯里產(chǎn)生方向相同的磁通，因?yàn)椴钅８蓴_在兩組線(xiàn)圈上幅值相等相位相反，所以產(chǎn)生的磁通相疊加，產(chǎn)生了很大的電感，對(duì)差模干擾起到抑制作用。
如圖3(a)所示，L3、L4、Cx1、Cx2用于濾除差模干擾信號(hào)，Cx1、Cx2為電源跨接電容，又稱(chēng)X電容。L1、L2、Cvl、Cv2用于濾除共模干擾信號(hào)。L1、L2和L3、L4要求圈數(shù)相同，繞向符合共模扼流圈、差模扼流圈要求。
共模等效電路如圖3(b)所示，濾波器模型為一個(gè)二階LC型低通濾波器，將等效共模電感記為L(zhǎng)CM，等效共模電容記為CCM，則有LCM=L1+L 2，CCM=2Cy。
差模等效電路如圖3(c)所示，濾波器模型為一個(gè)三階CLC型低通濾波器，將等效差模電感記為L(zhǎng)DM，等效差模電容記為CDM(令Cx1=Cx2且認(rèn)為Cy／2<
3．2 高頻變壓器的建模
實(shí)際變壓器的繞組中存在著分布電容，尤其存在于線(xiàn)圈導(dǎo)線(xiàn)和變壓器磁芯之間以及各繞組之間。電容量的大小取決于繞組的幾何形狀、磁芯材料的介電常數(shù)和它的封裝材料等。綜合考慮變壓器實(shí)際，設(shè)計(jì)高頻變壓器的原始模型如圖4(a)所示，若將副邊漏感、次級(jí)繞組電阻、次級(jí)分布電容分別折算到原邊，并將原、副邊漏電感、繞組電阻、分布電容等效組合，得到圖4(b)簡(jiǎn)化的等效電路。
對(duì)圖4(b)電路進(jìn)行仿真得圖5波形，變壓器輸入波形和輸出波形分別如圖5(a)、(b)所示。可見(jiàn)，由于分布參數(shù)的存在，在上升沿和下降沿具有上下沖尖峰存在，這是互感和漏感在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬時(shí)引起電壓尖峰，是EMI的主要來(lái)源，必須加以控制。為此，改進(jìn)電路如圖4(c)所示，
C7、C8、C12為匝間耦合電路，C11為繞組間耦合電容，在變壓器繞制時(shí)，盡量減小分布電容C11，以減小變壓器原邊的高頻干擾耦合到次邊繞組。另外為進(jìn)一步減小EMI，可在原、次邊繞組間增加一個(gè)屏蔽層，屏蔽層良好接地，這樣變壓器原、次邊繞組對(duì)屏蔽層間就形成耦合電容C9、C10，高頻干擾電流就通過(guò)C9、C10濾除。
3．3 投餌機(jī)開(kāi)關(guān)電源仿真
投餌機(jī)開(kāi)關(guān)電源整體仿真原理圖如圖6所示，電路接入輸入EMI濾波器和輸出EMI濾波器進(jìn)行仿真，得出圖7、圖8的仿真結(jié)果。表1為差模損耗曲線(xiàn)參數(shù)表，對(duì)應(yīng)第一、第二和第三組參數(shù)高頻差模損耗曲線(xiàn)如圖藍(lán)、紅、綠所示。由圖可知，差模電容的取值在高頻區(qū)影響較小，差
模損耗曲線(xiàn)幾乎重合。電感是影響濾波器差模頻率的主要因素。電感大，濾波器的差模頻率特性越好，但存在著磁芯飽和問(wèn)題，它們的取值都不能過(guò)大。
圖8為電路接入輸出濾波器前后的PSPICE仿真波形，對(duì)比分析圖8(a)和圖8(b)，可以看到?jīng)]接輸出濾波器前的圖形干擾嚴(yán)重，當(dāng)接入濾波器后，濾除了很多干擾，效果明顯。
針對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的漏極的尖峰電壓，常采用RC吸收回路來(lái)減小尖峰電壓。RC的數(shù)值要根據(jù)高頻變壓器的工作頻率來(lái)選擇。對(duì)已經(jīng)確定RC常數(shù)的回路來(lái)說(shuō)，電阻值與電容值要合理分配，電阻值過(guò)大，尖峰電壓吸收效果差；電容值過(guò)大，將會(huì)使功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電流增大，電源效率損失較多。圖9為接入RC吸收電路前后的仿真圖，從圖9(a)、(b)可見(jiàn)接入RC吸收電路后，尖峰電壓干擾得到明顯抑制。
4 結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)投餌機(jī)開(kāi)關(guān)電源，分析了產(chǎn)生干擾的重要原因，使用PSPICE仿真軟件組建器件的模型進(jìn)而得出開(kāi)關(guān)電源的高頻電路模型。并對(duì)開(kāi)關(guān)電源的傳導(dǎo)EMI進(jìn)行仿真，通過(guò)PSPICE仿真對(duì)比，可以明顯地看到相關(guān)電路的設(shè)計(jì)效果。EMI是很復(fù)雜的問(wèn)題，投餌機(jī)開(kāi)關(guān)電源以PSPICE仿真為依據(jù)，調(diào)整了電路元件參數(shù)。結(jié)果證實(shí)，產(chǎn)品電氣性能的可靠性得到大大提高，本文可以為同類(lèi)產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)提供一定的參考和借鑒。