開關(guān)電源MOSFET漏源極電壓電磁干擾的仿真分析

1引言

開關(guān)電源是目前用途非常廣泛的一種電源設(shè)備，然而隨著開關(guān)頻率以及開關(guān)速度的不斷提高，產(chǎn)生的電磁干擾越來越大，由于市場(chǎng)準(zhǔn)入制度的實(shí)施，電磁干擾研究已引起了足夠的重視。干擾源是電磁干擾的三要素之一，是電磁干擾研究的重要部分，文獻(xiàn)[1~2]對(duì)干擾源進(jìn)行了說明和描述，還有些學(xué)者對(duì)抑制干擾源發(fā)射的方法[3~5]和干擾源的輻射[6]進(jìn)行了研究。本文從干擾源入手，對(duì)時(shí)域開關(guān)電壓信號(hào)進(jìn)行電磁干擾特性研究，通過提取MOSFET時(shí)域電壓信號(hào)的特征參數(shù)，利用傅立葉變換(FFT)法，分析了開關(guān)信號(hào)電磁干擾的頻譜情況以及各參數(shù)對(duì)頻譜的影響，通過Matlab仿真證明了上述分析的正確性及工程實(shí)用性。由于FFT后頻域信號(hào)的幅值差別較大，難以研究，因此本文在FFT后，進(jìn)行了對(duì)數(shù)變換，這樣既方便研究，又便于與實(shí)際進(jìn)行對(duì)比。

2開關(guān)電源中的電磁干擾

由于開關(guān)電源運(yùn)用了三極管的開關(guān)作用以及PWM技術(shù)，使得它與線性電源相比在效率上得到了極大的提高，但是也隨之帶來了許多問題，在三極管的開關(guān)過程中，其di/dt, dv/dt的值很大，這使得開關(guān)電源在很寬的頻率范圍內(nèi)的噪聲都很大，這些噪聲經(jīng)過電源線傳輸?shù)诫娋W(wǎng)或其它電子設(shè)備上，就會(huì)形成電磁干擾。開關(guān)管處的電磁干擾是引起開關(guān)電源中電磁干擾現(xiàn)象的重要部分，開關(guān)管是重要干擾源。

圖1所示是某型號(hào)開關(guān)電源中MOSFET漏源極的電壓波形，由一個(gè)梯形信號(hào)和一個(gè)阻尼振蕩信號(hào)疊加而成，梯形信號(hào)的上升時(shí)間和下降時(shí)間一般在十納秒到一百納秒之間，電壓和電流的變化率很快，而阻尼振蕩信號(hào)則成正弦波的指數(shù)衰減形式，它的振蕩周期一般為幾十到幾百納秒。由于梯形信號(hào)上升沿下降沿的di/dt, dv/dt很大，將產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾電壓和電流，這些電壓和電流通過某種耦合方式傳輸?shù)捷斎牒洼敵龆丝诰蜁?huì)形成電磁干擾。在開關(guān)電源中，干擾源處的電磁干擾通常具有頻譜范圍廣，干擾強(qiáng)度大的特點(diǎn)。

3 特征參數(shù)的確定

圖1中展示了一MOSFET的漏源極電壓波形，為了研究其上升時(shí)間、下降時(shí)間、阻尼振蕩等對(duì)其頻譜的影響，需要確定該波形的特征參數(shù)，然后運(yùn)用Matlab編程仿真。由于該波形是由一個(gè)梯形信號(hào)和一個(gè)阻尼振蕩信號(hào)疊加而成，因此可以用分段函數(shù)進(jìn)行模擬。上升沿可以用式(1)表示。

等特征參數(shù)，通過軟件就可以仿真出圖1中的波形。

4 仿真分析

本文采用了Matlab進(jìn)行仿真。圖2是根據(jù)函數(shù)(1)~(4)及確定的特征參數(shù)對(duì)圖1仿真得到的開關(guān)信號(hào)及其頻譜情況，其

從圖中可以看出，該信號(hào)的頻率范圍很寬，頻域信號(hào)的幅值也很大，當(dāng)然，這些干擾信號(hào)在耦合到電源外部形成電磁干擾時(shí)，能量會(huì)有很大的衰減。

仿真時(shí)，由于傅立葉變換后各頻率點(diǎn)的幅值變化太大，研究工作非常困難，因此本文對(duì)傅立葉變換后的幅值進(jìn)行了取對(duì)數(shù)處理，另外對(duì)1dBuV的值也進(jìn)行了歸零。

開關(guān)信號(hào)的上升和下降沿對(duì)干擾的幅值影響很大，圖3是上升時(shí)間或下降時(shí)間為10ns時(shí)的上升沿或下降沿的頻譜，把上升時(shí)間或下降時(shí)間改為100ns再仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)上升時(shí)間或下降時(shí)間增加時(shí)，隨著頻率的升高，幅值減小的越快，也就是說，上升或下降時(shí)間的變化對(duì)高頻干擾幅值影響更大。表1中列出了上升時(shí)間或下降時(shí)間為10ns和100ns時(shí)，不同頻率的電磁干擾幅值和比較結(jié)果。從圖中還可以看出在頻率為

及其諧波頻率附近，電磁干擾的幅值有一個(gè)很大的下降。

為了研究阻尼振蕩對(duì)電磁干擾的影響，本文同樣單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行了研究，圖4為其頻譜，

當(dāng)把振蕩周期從10個(gè)變?yōu)?個(gè)時(shí)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：振蕩時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)振蕩頻率附近的幅值影響最大，對(duì)其它頻率的幅值影響很小。表2列出了振蕩周期分別為10個(gè)和5個(gè)時(shí)不同頻率的幅值。

由以上分析可以看出，適當(dāng)?shù)脑黾娱_關(guān)信號(hào)的上升和下降時(shí)間，可以降低電磁干擾的發(fā)射，對(duì)高頻更為明顯，盡量減小阻尼振蕩的時(shí)間，對(duì)振蕩頻率附近的電磁干擾發(fā)射，具有明顯的效果。

5 結(jié)論

本文研究了開關(guān)電源中MOSFET漏源極電壓信號(hào)電磁干擾的頻譜特性，發(fā)現(xiàn)該信號(hào)上升和下降時(shí)間的變化對(duì)高頻干擾的幅值影響更大，且在頻率為上升和下降時(shí)間的倒數(shù)及其諧波附近，干擾幅值有一個(gè)突降。通過研究該信號(hào)中阻尼振蕩時(shí)間、周期等參數(shù)對(duì)電磁干擾的影響，得知振蕩時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)振蕩頻率附近的幅值影響最大，對(duì)其它頻率的幅值影響很小。