开关电源的仿真分析

摘 要：建立了开关电源的Pspice仿真电路模型，着重仿真了开关电路及输出电路的电压、电流，较直观地揭示了开关电源中电磁干扰产生及存在的本质，提出了解决其电磁干扰问题的措施。

关键词：开关电源；仿真；电磁干扰

在开关电源中，开关管的电压接近方波，含有丰富的高次谐波，同时，由于开关变压器的漏电感及分布电容以及开关器件的工作状态非理想，在高频开或关时，常常会产生高频、高压的尖峰高次谐波振荡，该谐波通过开关管的散热器对地之间的分布电容传送到输入端；也可以通过变压器初次级间的耦合电容及变压器的对地电容通过输出回路传送到输入端。因此，开关电源中存在着较严重的电磁干扰。

本文以12V、0.85A的反激式开关电源为例，见图1，应用仿真软件Pspice进行研究，仿真分析了开关电源中的电流和电压的特点，探究了电源的EMC问题的解决策略。

图1 12V，0.85A的反激式开关电源

图2 反激式开关电源的Pspice仿真电路

1 开关电路的电流、电压

下图3依次是开关管漏源电压、漏极电流、高频变压器原边电流、RCD吸收电路的电流、漏极对地电容的电流：

图3

由图3可以总结出此反激式开关电源波形的几个特点：（1）波形均为脉冲波形，频率为40KHz；（2）开关管的导通时间极短，此电路参数下为6uS左右。（3）除开关管的电流，都叠加着振荡波形，即文献资料中所说的“振铃”。

2 由漏电感引起的开关管的电压尖峰及高频振荡

图4是无RCD钳位电路时开关管漏源电压的波形。图中，开关管截止瞬间的电压尖峰和高频振荡由高频变压器的漏感引起，产生了659.055V的瞬间电压，这同有RCD钳位电路（图3）相比（最高电压为500V左右），高出了159V。

此开关管的额定电压为600V，且工作在高频状态，如果不采取措施，开关管很容易损坏，造成整个电源不能正常工作，作为设备的驱动装置，这是不允许的。

3 开关管漏极电压突变引起的干扰电流

由于开关管的漏源电压极高，且导通和截止的时间极短，使开关管漏极对地等效电容Cp产生了较大的干扰电流。由图5可知，开关管导通瞬间产生的最大电流为1.8985A，截止瞬间产生的最大电流为377.665mA。

图5 开关管漏极对地电容的电流波形

Cp在本电路中由开关管的散热片对地电容、变压器原边对地电容、变压器初次级间的耦合电容、变压器副边的对地电容、输出整流二极管的电容等构成。由于开关电源的共模干扰主要就是漏源高压的瞬间突变产生的，其电流的大小与漏源电压的变化率、电容的容量成正比，因此应采取一定的措施减小Cp。

4 输出电路的仿真分析

输出电路由整流二极管、滤波电路等构成。 图6依次为开关管漏源电压、输出整流二极管阳极电压、二极管电流、输出直流电压的波形。由图可知，整流二极管的阳极电压同开关管的漏极电压一样，也存在着瞬间突变，因此产生了干扰电流。

图6

为了减小输出端口对传导骚扰的影响可以采取如下措施：（1） 采用带屏蔽层的高频变压器，减小原副边的耦合电容。（2） 在输出“地”与输入“地”之间跨接一个高频电容，可以旁路一部分骚扰电流，使流向电源输入端的干扰电流减小。（3）在输出电路中加入共模、差模滤波电路，对输出端的高频干扰进行抑制。

参考文献

[1]沙占友等编著.新型单片开关电源设计与应用技术，电子工业出版社，2005.

[2]Tim Williams著，李迪，王培清译，EMC for Product Designers.电子工业出版社，2004.

[3]（法）Christophe P.Basso著，吕章译.Switch-Mode Power supplies Spice Simulations and Practical Designs， 电子工业出版社，2009.