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反激式電源適配器的傳導(dǎo)EMI等效電路

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反激式電源適配器的傳導(dǎo)EMI等效電路

(1)電源適配器電路原理圖

電路原理圖
(2)電源適配器兩種工作模式

在半個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi),輸入整流橋有兩種大的工作模式,即:整流橋工作模式Ⅰ和整流橋不工作模式Ⅱ。

整流橋工作模式Ⅰ和整流橋不工作模式Ⅱ
(3)電源適配器工作模式Ⅰ的EMI等效電路推導(dǎo)

3-A、工作模式Ⅰ的等效電路(正負(fù)半周工作一樣)

工作模式Ⅰ的等效電路
在工作模式Ⅰ的情況下,兩種工作工作模式在正負(fù)半周都會(huì)出現(xiàn),此時(shí)整流橋是導(dǎo)通工作的。

3-A-1:工作模式Ⅰ在有LISN時(shí)的等效電路

工作模式Ⅰ在有LISN時(shí)的等效電路
3-A-2:工作模式Ⅰ在有LISN時(shí)的等效受控源電路

工作模式Ⅰ在有LISN時(shí)的等效受控源電路
開關(guān)變換器的時(shí)變因素與非線性因素主要是由開關(guān)元件導(dǎo)致的。為了使變換器的等效電路成為線性電路,開關(guān)元件平均模型法采取了對(duì)開關(guān)元件直接進(jìn)行分析的方法。

首先對(duì)開關(guān)元件的電壓或電流變量在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)求平均,并用以該平均變量為參數(shù)的受控源代替開關(guān)元件,得到等效的平均參數(shù)電路。平均參數(shù)等效電路消除了變量波形中因開關(guān)動(dòng)作引起的脈動(dòng),即消除了時(shí)變因素,但仍然是一個(gè)非線性電路。這樣的電路由于同時(shí)包含了直流分量與交流分量的作用,稱為大信號(hào)等效電路。

其次,若使大信號(hào)等效電路中的各平均變量均等于其對(duì)應(yīng)的直流分量,同時(shí)考慮到直流電路中穩(wěn)態(tài)時(shí)電感相當(dāng)于短路、電容相當(dāng)于開路,可以得到變換器的直流等效電路,直流等效電路為線性電路;若使大信號(hào)等效電路中的各平均變量分解為相應(yīng)的直流分量與交流小信號(hào)分量之和,即分離擾動(dòng),并忽略小信號(hào)分量的乘積項(xiàng)(即二階微小量)使其線性化,再剔除各變量中的直流量,可以得到變換器的小信號(hào)等效電路,小信號(hào)等效電路也為線性電路??梢姡_關(guān)元件平均模型法的指導(dǎo)思想仍然是求平均、分離擾動(dòng)和線性化。

上圖中開關(guān)管Q等效為受控電壓源,整流二極管D等效為受控電流源。有源開關(guān)Q時(shí)而接通是輸入電壓Vg,時(shí)而短路,用狀態(tài)變量輸入電壓的平均值表征有源開關(guān)元件Q的端電壓是合理的,因此用一個(gè)電壓控制的受控電壓源來代替有源開關(guān)管Q;無源開關(guān)D時(shí)而接通副邊電感電流,時(shí)而開路,由于電感電流是一個(gè)狀態(tài)變量,用電感電流的平均值表征無源開關(guān)元件D的平均電流也是合理的,因此用一個(gè)電流控制的受控電流源代替無源開關(guān)元件D。

3-A-3:工作模式Ⅰ在有LISN時(shí)的等效受控源平均電路(直流等效)
工作模式Ⅰ在有LISN時(shí)的等效受控源平均電路
上圖直流等效電路圖中,電感L1和L2等效為短路,電容等效為開路。

3-A-4:工作模式Ⅰ在有LISN時(shí)的等效受控源平均電路(交流等效)
工作模式Ⅰ在有LISN時(shí)的等效受控源平均電路
在交流等效中,輸出負(fù)載、電感等效開路,電容、供電電源等效短路。從圖中可以看到,開關(guān)管Q的交流分量Vds(ac)(t)和二極管D的交流分量Id(ac)(t)可以進(jìn)行傅里葉變換,分解成不同頻率成分的正弦波,頻率不一樣,阻抗也隨著變換,再利用疊加原理將不同頻率成分形成的頻譜幅度進(jìn)行相加。

3-B-1:工作模式Ⅰ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路

工作模式Ⅰ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路
在MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下,副邊電流源開路,由于副邊流過電流為零,所以原邊電流也為零,在此變壓器就不起作用了,只有勵(lì)磁電感Lm,將上述電路圖簡化其等效電路圖為:

電路圖簡化其等效電路圖
在MOSFET單獨(dú)作用下,其差模成分路徑為:

在MOSFET單獨(dú)作用下,其差模成分路徑為
其中,差模成分分兩條支路,一條如紅色所示,另一條如藍(lán)色所示。在此等效電路中,濾波電容CB一條支路給差模成分提供了路徑,可以知道如果減小濾波電容CB的阻抗,則對(duì)差模成分分流更多,在電阻R1和R2形成的電壓會(huì)更小,儀器檢測幅值更低,一般我們都選取等效串聯(lián)阻抗較小的濾波電容。另一條支路中有激磁電感Lm,單從差模成分的抑制方面考慮,增加激磁電感Lm的值可以增加阻抗,對(duì)差模成分也有良好的抑制作用。

在MOSFET單獨(dú)作用下,其共模成分路徑為:

6w電源適配器共模成分路徑


可知,要想有效減小共模成分,則必須要減小寄生電容Cpq的容值,增加共模流經(jīng)路徑的有效阻抗。

工作模式Ⅰ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI后面等效電路為:

電源適配器EMI后面等效電路
在差模EMI等效電路中,電阻R1和電阻R2處于串聯(lián)流經(jīng)差模電流,在電阻R1和電阻R2兩端分別產(chǎn)生電壓為Vdm(t),故在電阻R1和電阻R2串聯(lián)等效電阻100Ω上產(chǎn)生2Vdm(t)。激磁電感Lm感抗越大對(duì)差模抑制越好,對(duì)差模分量來說,CCM模式比DCM差模要好。

差模EMI等效電路
工作模式Ⅰ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI后面等效電路

在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI后面等效電路
3-B-2:工作模式Ⅰ在副邊二極管交流電流分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路。

3-B-2:工作模式Ⅰ在副邊二極管交流電流分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路
在低頻(150KHz)情況下,忽略變壓器寄生電容(在高頻情況下變壓器層間電容、原副邊電容不能忽視)。由于整流二極管對(duì)地電容無法形成共?;芈罚试贚ISN負(fù)載上無共模噪聲。

工作模式Ⅰ在副邊二極管交流電流分量單獨(dú)作用下的EMI后面等效電路

工作模式Ⅰ在副邊二極管交流電流分量單獨(dú)作用下的EMI后面等效電路
由于在低頻情況下,副邊二極管對(duì)地寄生電容無法形成共?;芈?,故沒有共模EMI等效電路。

(4)工作模式Ⅱ的EMI等效電路推導(dǎo)

4-A:工作模式Ⅱ-Ⅰ的等效電路

4-A:工作模式Ⅱ-Ⅰ的等效電路
在工作模式Ⅱ中,當(dāng)D1-D4都截止時(shí),在LISN上沒有傳導(dǎo)EMI噪聲,由下面的測試EMI的等效電路可知,因沒有噪聲路徑,故不會(huì)產(chǎn)生傳導(dǎo)EMI噪聲。這種工作模式也可稱為工作模式Ⅱ-Ⅰ。

工作模式Ⅱ-Ⅰ
4-B:工作模式Ⅱ-Ⅱ的等效電路

在工作模式Ⅱ中,會(huì)出現(xiàn)D1-D4中的一個(gè)二極管導(dǎo)通,其他三個(gè)二極管截止的情況,在這種情況下的EMI等效電路與二極管全部截止時(shí)的等效電路不同,與工作模式Ⅰ中的EMI等效電路不同,這種情況稱為Ⅱ-Ⅱ(非固有差模噪聲)。

原因:在開關(guān)電壓變化時(shí),會(huì)出現(xiàn)一個(gè)瞬間的電容充放電電流,此電流經(jīng)Cpq、大地和LISN中的一條支路,在電流較大值不能使整流橋中的一個(gè)二極管開通時(shí),其情況就同前面所介紹的,整流橋中的四個(gè)二極管均截止,不會(huì)產(chǎn)生噪聲;

當(dāng)此電流使整流橋中的一個(gè)二極管導(dǎo)通(如0<VAB<VCD時(shí)的二極管D1),則其他二極管都會(huì)因反偏而截止,本來當(dāng)這個(gè)電流減小到零后,二極管D1應(yīng)當(dāng)截止,當(dāng)由于整流橋中的二極管是非常慢速的,它無法在開關(guān)周期內(nèi)被關(guān)斷,所以便導(dǎo)致這個(gè)二極管在0<VAB<VCD一直導(dǎo)通;這樣整流橋雖然不工作,但有一個(gè)二極管是導(dǎo)通的。

下面分析在整流橋不工作但有一個(gè)二極管導(dǎo)通時(shí)(假定D1導(dǎo)通)的EMI等效電路。

下面分析在整流橋不工作但有一個(gè)二極管導(dǎo)通時(shí)(假定D1導(dǎo)通)的EMI等效電路
4-B-1:工作模式Ⅱ-Ⅱ在有LISN時(shí)的等效受控源平均電路(直流等效)

4-B-1:工作模式Ⅱ-Ⅱ在有LISN時(shí)的等效受控源平均電路(直流等效)
4-B-2:工作模式Ⅱ-Ⅱ在有LISN時(shí)的等效受控源EMI電路(交流等效)

4-B-2:工作模式Ⅱ-Ⅱ在有LISN時(shí)的等效受控源EMI電路(交流等效)
4-C-1:工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路

4-C-1:工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路
上述等效電路中紅色虛線表示共?;芈?,無差?;芈?。但是只有電阻R1有噪聲,可以實(shí)際理解為差模噪聲。

工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI后面等效電路

工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI后面等效電路
根據(jù)前面的分析,單一元件進(jìn)行作用時(shí)差?;芈泛凸材;芈返穆窂?,可以得出:

單一元件進(jìn)行作用時(shí)差?;芈泛凸材;芈返穆窂?br /> 當(dāng)有EMI濾波器時(shí),這個(gè)噪聲中的差模噪聲可以被轉(zhuǎn)化為共模噪聲,如4-C-1工作模式中的等效電路,加入差模電容Cx。

4-C-1:工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路

工作模式Ⅱ-Ⅱ在原邊MOSFET交流電壓分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路
由于EMI濾波器中的差模電容Cx,可使模式Ⅱ-Ⅱ中的差模噪聲轉(zhuǎn)化為共模噪聲。

4-C-2:工作模式Ⅱ-Ⅱ在副邊二極管交流分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路

工作模式Ⅱ-Ⅱ在副邊二極管交流分量單獨(dú)作用下的EMI等效電路
故在工作模式Ⅱ-Ⅱ副邊二極管對(duì)共模噪聲和差模噪聲均沒有影響。

討論:

---工作模式Ⅰ與工作模式Ⅱ下的傳導(dǎo)EMI是不同的;

---如在工作模式Ⅱ中的四個(gè)二極管均截止,則工作模式因無噪聲路徑而不產(chǎn)生任何傳導(dǎo)EMI;

---如在工作模式Ⅱ中有一個(gè)二極管導(dǎo)通,其他三個(gè)二極管截止,則工作模式Ⅱ的共模EMI噪聲與工作模式Ⅰ基本相同,而工作模式Ⅱ的差模噪聲有可能大于工作模式Ⅰ的差模噪聲,也有可能小于工作模式Ⅰ的差模噪聲,原因是工作模式Ⅱ在一個(gè)二極管導(dǎo)通時(shí)有一種非固有的差模噪聲存在;

---非固有差模噪聲可有通過輸入EMI濾波器中的X電容,把其轉(zhuǎn)變成對(duì)稱共模噪聲而完全消除;

---上面的EMI等效電路,僅僅是EMI低頻段的理想等效電路;

---實(shí)際的EMI等效電路,還要考慮變壓器的寄生參數(shù)、PCBLayout的引線電感等等;

---如考慮變壓器的層間電容時(shí),在其原副邊間可以用一個(gè)電容參數(shù),此時(shí)副邊二極管電流分量就會(huì)在EMI負(fù)載上產(chǎn)生共模噪聲,由于涉及EMI濾波器參數(shù)時(shí),只需考慮低頻段的等效電路,故可將這一因素忽略。但對(duì)實(shí)際高頻段的EMI共模噪聲進(jìn)行分析時(shí),則還要考慮副邊二極管交流分量通過變壓器層間電容對(duì)共模噪聲的影響。


(5)電源適配器反激變換器在AC 輸入下的EMI 等效電路總結(jié):

5-1:工作模式Ⅰ的EMI 等效電路

5-1:工作模式Ⅰ的EMI 等效電路
5-2-1:工作模式Ⅱ-I 的EMI 等效電路

當(dāng)D1-D4 都截止時(shí),在EMI 負(fù)載上無任何噪聲,所以無EMI 等效電路。

5-2-2:工作模式Ⅱ-Ⅱ的EMI等效電路

在工作模式Ⅱ-Ⅱ中:在原邊MOSFET 電壓單獨(dú)作用時(shí),會(huì)有一種非固有差模噪聲,但可用EMI 濾波器中的X 電容將其轉(zhuǎn)化為共模噪聲。在副邊二極管電流單獨(dú)作用時(shí),因無噪聲回路,在EMI 負(fù)載上測不到噪聲,所以其加X 電容后的EMI等效電容總結(jié)為:


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| 發(fā)布時(shí)間:2018.06.23    來源:電源適配器廠家
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