電子安全系統升壓電路的傳導電磁干擾建模方法

汪永斌,鄭 松,康興國

(西安機電信息技術研究所,陜西 西安 710065)

0 引言

由于電子安全系統在升壓過程中變壓器輸入回路開關的連續高速導通與截止,在導通與截止的瞬間,升壓電路內部會產生非常大的電流變化,從而產生瞬時電流脈沖。當電路處于高頻,電子安全系統的升壓電路包含大量存在寄生參數的器件,瞬時電流脈沖作用在器件上時,會形成經過線路傳導和輻射的電磁干擾[1]。為了保證引信電子安全系統能夠在升壓過程中避免電磁干擾,必須深入分析電磁干擾的產生機理和傳導路徑。

目前,對于電子安全系統電磁干擾開展的基礎研究相對較少,在電子安全系統電磁特性研究方面,文獻[2]在引信全電子安全系統研究過程中,發現由于高頻變壓器的使用使得電路中產生脈沖電磁干擾,提出采用MOSFET隔離驅動、新型變壓器和電源隔離的方法來減小全電子安全系統電路脈沖電磁干擾,提高引信電磁兼容性。文獻[3]提出了一種電子安全系統強靜電場干擾下的單片機防護方法,利用ANSYS軟件根據實際脈沖電流流經回路進行等效建模并仿真,給出在該靜電場中單片機器件相對于高壓儲能電容的傾斜角度控制范圍,為電子安全系統工作穩定性和安全性以及進一步小型化發展提供參考。在傳導電磁干擾建模方面,文獻[4]基于開關電源的電磁特性推導出共模傳導電磁模型,分析了電磁干擾的產生原理和傳導路徑。文獻[5]基于Buck電路的傳導特性預估了電磁干擾噪聲模型,基于模型分析了噪聲源和傳導路徑。綜上分析,國內外對電子安全系統升壓電路電磁特性研究不深入,對系統的傳導電磁建模方法的研究幾乎空白,為了解決電磁傳導干擾無法量化分析的問題,提出了一種電子安全系統升壓電路傳導電磁干擾建模和量化分析的方法。

1 升壓電路的組成及傳導干擾原理

1.1 升壓電路的基本結構

本文選擇研究的對象為典型電子安全系統升壓電路[6],其拓撲結構如圖1所示。

圖1 電子安全系統升壓電路拓撲結構圖Fig.1 Topology of boost circuit for electronic safety system

電子安全系統升壓電路主要包含了開關管、二極管、高壓電容、驅動模塊、變壓器、儲能電容和沖擊雷管。在升壓過程中,首先接通引信電源,在靜態開關1和2檢測到正常的發射信息后啟動靜態開關,變壓器開始工作,將低壓轉化為高壓,整流二極管整流后對高壓電容器進行充電,控制電路隨時檢測充電情況,當達到預定的電壓時,引信處于待發狀態。在實際電子安全系統升壓電路中,變壓器模塊與儲能電容和二極管組成的高壓回路之間通過線纜連接,該線纜會產生傳導和輻射電磁干擾信號影響周邊電路正常工作。

1.2 電磁傳導干擾

電磁傳導干擾的類型分為差模傳導干擾和共模傳導干擾[7],在實際電子安全系統升壓電路中表現為差模電流和共模電流。差模電流是兩根導線分別作為往返線路傳輸的電流,共模電流是兩根導線同時作為去路,而把地作為返回路徑傳輸的電流。如圖2所示,L為相線,N為零線,差模電流Idm在兩根導線上電流大小相等,方向一進一出正好相反,共模電流Icm在兩根導線上電流大小和方向都相同,流過地的共模電流大小是流過兩根導線的電流之和[8]。

圖2 升壓電路中的差模電流和共模電流Fig.2 Differential mode and common mode currents in a boost circuit

因此,流經導線L和N的電流大小表示式如下:

IL=0.5Icm+Idm,

(1)

IN=0.5Icm-Idm。

(2)

2 升壓電路傳導干擾建模及量化分析

升壓電路中包含大量存在寄生參數的器件,這些器件對傳導電磁干擾噪聲的產生有很大關系,亟需對升壓電路關鍵器件的寄生效應特性進行深入研究。在本文中,寄生效應特性即高頻特性,因此,建立升壓電路中電容、二極管和變壓器等各關鍵器件的高頻等效模型,是研究升壓電路傳導電磁干擾的基礎。

2.1 電容高頻等效電路建模

電子安全系統的電容主要是薄膜電容和電解電容兩種,電容由兩塊極板及其中間的電介質構成。電容的高頻寄生參數主要是極板和外部引線產生的寄生電感,導體極板和極板間的電介質產生的寄生電容。因此,電容的高頻模型可以用如圖3所示的RLC集總參數電路拓撲模型等效。

圖3 電容的等效電路模型拓撲Fig.3 Equivalent circuit topology model of capacitor

根據RLC電路拓撲模型電容的阻抗表達式如下:

(3)

2.2 二極管高頻等效電路建模

整流二極管是一種對電壓具有整流作用的二極管,采用硅半導體制成,能承受較高的電壓值,可以將交流電轉化成直流電,應用于電子安全系統的起爆電路中。整流二極管的高頻模型可以用如圖4所示的RLC集總參數和理想二極管電路拓撲模型等效。

圖4 二極管的等效電路模型拓撲Fig.4 Equivalent circuit topology model of diode

2.3 變壓器高頻等效電路建模

采用集總參數建模的方法對變壓器進行建模,將實際變壓器的激磁阻抗、漏阻抗和分布電容進行參數提取來建立其高頻模型,進而建立變壓器的高頻等效模型。

2.3.1激磁阻抗高頻等效電路建模

在升壓電路的變壓器工作過程中,變壓器的初級線圈會產生激磁電流,激磁阻抗為初級線圈的電壓除以激磁電流。激磁阻抗高頻模型可以用如圖5所示的RLC集總參數電路拓撲模型等效。

圖5 激磁阻抗等效電路模型拓撲Fig.5 Topology model of the equivalent circuit of excitation impedance

根據RLC電路拓撲模型激磁阻抗ZM表達式如下:

(4)

2.3.2漏阻抗高頻等效電路建模

由于升壓電路變壓器的對稱結構,在變壓器初級線圈和次級線圈左右端各有一對結構相同的漏阻抗高頻等效模型,RLC的參數由于阻抗分配比例不同存在差異,漏阻抗高頻模型可以用如圖6所示的RLC集總參數電路拓撲模型等效。

圖6 漏阻抗等效電路模型拓撲Fig.6 Leakage impedance equivalent circuit model topology

變壓器線圈的漏阻抗ZL表達式如下:

(5)

2.3.3分布電容高頻等效電路建模

由于升壓電路變壓器的結構是對稱的,變壓器初級線圈和次級線圈上下端各有兩對結構相同的分布電容高頻等效模型,RLC的參數由于阻抗分配比例不同存在差異,分布電容的高頻模型可以用如圖7所示的RLC集總參數電路拓撲模型等效。

圖7 分布電容等效電路模型拓撲Fig.7 Distributed capacitance equivalent circuit model topology

變壓器線圈的分布電容阻抗ZP的表達式如下:

(6)

對變壓器的激磁阻抗、漏阻抗和分布電容進行建模,由于變壓器的結構是對稱的,可以建立如圖8所示的變壓器電路高頻等效模型。

圖8 變壓器等效電路模型拓撲Fig.8 Transformer equivalent circuit model topology

2.4 傳導干擾量化分析

對電子安全系統升壓電路關鍵器件的高頻等效電路建模,可以構建如圖9所示的電子安全系統升壓電路高頻模型。基于模型可以深入分析電子安全系統升壓電路電磁干擾的產生機理和傳導路徑。

圖9 電子安全系統升壓電路高頻等效模型Fig.9 High-frequency equivalent model of the boost circuit of the electronic safety system

電子安全系統升壓過程中需要變壓器輸入回路開關連續高速導通與截止,在導通與截止的瞬間,會產生差模電流和共模電流。共模電流的傳導路徑如圖9中虛線所示,當開關管關斷時,由于升壓電路變壓器存在寄生參數,共模電流會通過初級線圈傳輸到次級線圈上,其中一部分共模電流流經負載回到電源負端。同時一部分共模電流也會流經開關管的漏極、初次級線圈和儲能電容與參考地之間的寄生電容回到電源負端。

差模電流的傳導路徑如圖9中實線所示,當開關管導通時,初級線圈會產生較大幅度和變化率的電流,由于電源的輸入電容并非理想的,當電流與存在著寄生參數的器件相互作用時會產生高頻電壓波紋,此時差模電流的噪聲源相當于電壓源。其中大部分電流沿著升壓電路的負載端回路流動,同時也有部分差模電流沿著初級線圈一側回到電源端。

3 仿真建模與測試驗證

3.1 電路器件模型的驗證

為了驗證模型的正確性,在實際測試驗證中,采用網絡矢量阻抗分析儀(VNA)作為實測工具對電子安全系統升壓電路的建模器件進行阻抗測量,獲得器件的阻抗-頻率關系曲線,并采用ADS軟件選擇合適的等效電路對阻抗-頻率曲線進行擬合,獲得器件的高頻等效RLC電路參數。

3.1.1電容模型的驗證

阻抗分析儀的測量夾具接在電容的兩端得到電容的阻抗曲線,采用建立的電容等效電路模型對阻抗曲線進行擬合,獲得電容的高頻等效電路參數值如表1所示。對比仿真與實測的電容阻抗如圖10所示,建立的電容模型可以真實反應電容的高頻特性。

表1 電容高頻等效電路模型參數值Tab.1 Parameter values of capacitor high-frequency equivalent circuit model

圖10 電容阻抗測試與建模對比圖Fig.10 Comparison of capacitor test and model

3.1.2二極管模型的驗證

將二極管處于關斷狀態,阻抗分析儀的測量夾具接在二極管的兩端得到二極管的阻抗曲線。采用建立的二極管等效電路模型對阻抗曲線進行擬合,獲得二極管的高頻等效電路參數值如表2所示。對比仿真與實測的二極管阻抗如圖11所示,阻抗大小基本相同,可以反映二極管的高頻特性。

表2 二極管高頻等效電路模型參數值Tab.2 Diode high frequency equivalent circuit model parameter values

圖11 二極管阻抗測試與建模對比圖Fig.11 Comparison of diode test and model

3.1.3變壓器模型的驗證

選用電子安全系統中常見的一種變壓器(型號:SDB0915A)進行驗證分析,阻抗分析儀的測量夾具分別接在變壓器的不同端得到激磁阻抗、漏阻抗和分布電容的阻抗曲線,并選擇合適的等效電路對阻抗曲線進行擬合,獲得變壓器的高頻等效電路的參數值,對比仿真與實測的激磁阻抗、漏阻抗和分布電容阻抗基本相同,可以反映變壓器的高頻特性。

1) 激磁阻抗模型的驗證

將變壓器的次級線圈3和4端開路,阻抗分析儀的測量夾具接初級線圈1和2端,由于激磁阻抗遠大于初級和次級線圈的漏感,此時測量的阻抗為激磁阻抗,采用建立的激磁阻抗等效電路模型對阻抗曲線進行擬合,獲得激磁阻抗的高頻等效電路參數值如表3所示。激磁阻抗實測與仿真對比如圖12所示。

表3 激磁阻抗高頻等效電路模型參數值Tab.3 Parameter values of the high-frequency equivalent circuit model for excitation impedance

圖12 激磁阻抗測試與建模對比圖Fig.12 Comparison of excitation impedance test and model

2) 漏阻抗模型的驗證

將變壓器1,3,4端短路,阻抗分析儀的測量夾具接初級線圈1和2端,測量的阻抗為初級線圈漏阻抗的阻抗,將變壓器1,2,3端短路,阻抗分析儀的測量夾具兩端接3和4端,測量的阻抗為次級線圈漏阻抗的阻抗,實際測試和建模中,只測試初級線圈的阻抗,次級線圈的阻抗按照變壓器匝數比分配參數值,可以獲得如表4所示的漏阻抗模型的參數值。對比仿真與實測的漏阻抗的參數值,如圖13所示,阻抗大小基本相同。

表4 漏阻抗高頻等效電路模型參數值Tab.4 Leakage equivalent high frequency circuit model parameter values

圖13 漏阻抗測試與建模對比圖Fig.13 Leakage impedance test vs. model

3) 分布電容的模型驗證

將變壓器初級線圈1,2端,次級線圈3,4端短接,阻抗分析儀的測量夾具接1和3端測量的阻抗為分布電容,采用建立的分布電容等效電路模型對阻抗曲線進行擬合,可以獲得分布電容的高頻等效電路參數值如表5所示。如圖14所示,分布電容的測試與建模曲線基本相同,可以反映變壓器在實際工作過程中分布電容的高頻特性。

表5 分布電容高頻等效電路模型參數值Tab.5 Distributed capacitance high frequency equivalent circuit model parameter values

圖14 分布電容測試與建模對比Fig.14 Comparison of distributed capacitance testing and model

3.2 升壓電路傳導干擾仿真與測試

3.2.1傳導干擾噪聲仿真與測試

基于升壓電路高頻等效電路模型,搭建電子安全系統升壓電路樣機,如圖15所示。

圖15 升壓電路樣機Fig.15 Physical diagram of the boost circuit

采用基于LISN原理的傳導干擾仿真和測試方法,當電路處于正常工作頻率0.3 MHz以內時,采用1 kHz占空比為50%的方波驅動電路工作,對傳導電磁干擾噪聲進行仿真和測試。

對比升壓電路傳導干擾噪聲仿真與測試結果如圖16所示,電子安全系統升壓電路的高頻等效模型預測的傳導干擾噪聲與實測基本吻合,可以反映實際電路的傳導電磁干擾大小趨勢。由于部分有源器件尚未建模和未考慮電路中的耦合干擾,預測的傳導干擾噪聲在部分頻率點與實際測試效果存在誤差,這部分問題尚待進一步解決以提高預估的準確率。

圖16 傳導干擾噪聲仿真與測試對比Fig.16 Conducted interference noise simulation and test comparison

3.2.2基于Multisim電路的仿真與測試

采用Multisim電路仿真軟件,基于圖17所示的原理圖,仿真電子安全系統升壓電路模型線纜的傳導干擾電壓,并實際測試電子安全系統升壓電路線纜的傳導干擾電壓,仿真與實測結果如圖18、圖19所示。

圖17 電子安全系統升壓電路測試原理圖Fig.17 ESS boost circuit test schematic

圖18 升壓電路傳導干擾仿真Fig.18 Conducted interference simulation of a boost circuit

圖19 升壓電路傳導干擾測試Fig.19 Conducted interference test of a boost circuit

從圖18、圖19可看出,電子安全系統升壓電路在正常工作時,模型仿真和實驗測試的線纜傳導干擾電壓幾乎一致,仿真模型的線纜傳導干擾電壓234 V左右,非常接近測試線纜傳導干擾電壓232 V。因此,升壓電路傳導干擾模型能夠完成升壓功能,并能真實反映升壓過程中電路內部產生的電磁干擾特性,可準確對傳導干擾進行量化計算。

4 結論

本文通過對電子安全系統升壓電路的結構和電路中傳導干擾的原理和傳導路徑進行分析,基于升壓電路器件的物理結構,推導了其高頻模型的表達式,通過測試和計算獲取了電路中電容、二極管和變壓器等關鍵器件的參數,建立了對應器件高頻等效電路模型,進而建立了升壓電路的傳導干擾模型并開展了仿真計算和測試驗證。試驗和仿真結果表明:傳導干擾模型能夠真實反映升壓過程中電路內部產生的電磁干擾特性,并可準確對傳導干擾進行量化計算。