开关电源MOSFET漏源极电压电磁干扰仿真分析

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开关电源是目前用途非常广泛的一种电源设备，然而随着开关频率以及开关速度的不断提高，产生的电磁干扰越来越大，由于市场准入制度的实施，电磁干扰研究已引起了足够的重视。干扰源是电磁干扰的三要素之一，是电磁干扰研究的重要部分，文献[1~2]对干扰源进行了说明和描述，还有些学者对抑制干扰源发射的方法[3~5]和干扰源的辐射[6]进行了研究。本文从干扰源入手，对时域开关电压信号进行电磁干扰特性研究，通过提取MOSFET时域电压信号的特征参数，利用傅立叶变换（FFT）法，分析了开关信号电磁干扰的频谱情况以及各参数对频谱的影响，通过Matlab仿真证明了上述分析的正确性及工程实用性。由于FFT后频域信号的幅值差别较大，难以研究，因此本文在FFT后，进行了对数变换，这样既方便研究，又便于与实际进行对比。

2　开关电源中的电磁干扰

　　由于开关电源运用了三极管的开关作用以及PWM技术，使得它与线性电源相比在效率上得到了极大的提高，但是也随之带来了许多问题，在三极管的开关过程中，其di/dt, dv/dt的值很大，这使得开关电源在很宽的频率范围内的噪声都很大，这些噪声经过电源线传输到电网或其它电子设备上，就会形成电磁干扰。开关管处的电磁干扰是引起开关电源中电磁干扰现象的重要部分，开关管是重要干扰源。

　　图1所示是某型号开关电源中MOSFET漏源极的电压波形，由一个梯形信号和一个阻尼振荡信号叠加而成，梯形信号的上升时间和下降时间一般在十纳秒到一百纳秒之间，电压和电流的变化率很快，而阻尼振荡信号则成正弦波的指数衰减形式，它的振荡周期一般为几十到几百纳秒。由于梯形信号上升沿下降沿的di/dt, dv/dt很大，将产生很强的干扰电压和电流，这些电压和电流通过某种耦合方式传输到输入和输出端口就会形成电磁干扰。在开关电源中，干扰源处的电磁干扰通常具有频谱范围广，干扰强度大的特点。

3 特征参数的确定

　　图1中展示了一MOSFET的漏源极电压波形，为了研究其上升时间、下降时间、阻尼振荡等对其频谱的影响，需要确定该波形的特征参数，然后运用Matlab编程仿真。由于该波形是由一个梯形信号和一个阻尼振荡信号叠加而成，因此可以用分段函数进行模拟。上升沿可以用式（1）表示。

　　等特征参数，通过软件就可以仿真出图1中的波形。

4 仿真分析

　　本文采用了Matlab进行仿真。图2是根据函数（1）~（4）及确定的特征参数对图1仿真得到的开关信号及其频谱情况，其

（振荡频率=2MHz），

从图中可以看出，该信号的频率范围很宽，频域信号的幅值也很大，当然，这些干扰信号在耦合到电源外部形成电磁干扰时，能量会有很大的衰减。

　　仿真时，由于傅立叶变换后各频率点的幅值变化太大，研究工作非常困难，因此本文对傅立叶变换后的幅值进行了取对数处理，另外对1dBuV的值也进行了归零。

　　开关信号的上升和下降沿对干扰的幅值影响很大，图3是上升时间或下降时间为10ns时的上升沿或下降沿的频谱，把上升时间或下降时间改为100ns再仿真时发现：当上升时间或下降时间增加时，随着频率的升高，幅值减小的越快，也就是说，上升或下降时间的变化对高频干扰幅值影响更大。表1中列出了上升时间或下降时间为10ns和100ns时，不同频率的电磁干扰幅值和比较结果。从图中还可以看出在频率为

及其谐波频率附近，电磁干扰的幅值有一个很大的下降。

　　为了研究阻尼振荡对电磁干扰的影响，本文同样单独对其进行了研究，图4为其频谱，

（振荡频率=10MHz），

当把振荡周期从10个变为5个时，对比发现：振荡时间的长短对振荡频率附近的幅值影响最大，对其它频率的幅值影响很小。表2列出了振荡周期分别为10个和5个时不同频率的幅值。

　　由以上分析可以看出，适当的增加开关信号的上升和下降时间，可以降低电磁干扰的发射，对高频更为明显，尽量减小阻尼振荡的时间，对振荡频率附近的电磁干扰发射，具有明显的效果。

5 结论

　　本文研究了开关电源中MOSFET漏源极电压信号电磁干扰的频谱特性，发现该信号上升和下降时间的变化对高频干扰的幅值影响更大，且在频率为上升和下降时间的倒数及其谐波附近，干扰幅值有一个突降。通过研究该信号中阻尼振荡时间、周期等参数对电磁干扰的影响，得知振荡时间的长短对振荡频率附近的幅值影响最大，对其它频率的幅值影响很小。


参考文献

[1] S.Radu, Y.Ji, J.Nuebel, J.L.Drewniak, T..Van Doren and T.H.Hubing. Identifying an EMI Source and Coupling Path in a Computer System with Sub-Module Testing. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, USA, 1997, 165-170
[2] 李贵山、杨建平、黄晓峰. 电磁干扰(EMI)和射频干扰(RFI)及其抑制措施研究. 电力系统及其自动化. 2002, 14(4): 36-40
[3] Alfio Consoli, Salvatore, Musumeci, Giovanna, Oriti and Antonio Testa. An Innovative EMI Reduction Design Technique in Power Converters, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1996, 38(4): 567-575
[4] Jamras Kaewchai, Werachet Khan-ngern and Shuichi Nitta. Controlling Conducted EMI emission on a Buck-boost converter using gate controlled circuit. 3rd International Symposium on EMC, Beijing, 2002
[5] C. U-Yaisom, W. Khan-ngern and S. Nitta. The Study and Analysis of The Conducted EMI Suppression on Power MOSFET Using Passive Snubber Circuits. 3rd International Symposium on EMC, Beijing, 2002
[6] Giulio Antonini, Saverio Cristina, Antonio Orlandi. EMC Characterization of SMPS Devices: Circuit and Radiated Emissions Model. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1996, 38(3): 300-309