智能投饵机开关电源分析与仿真 - 图文

电子技术设计与运用ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｓｉｇｎ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ电子技术Ｉ：ＬｌＬＩＲ（）ＮＩ‘智能投饵机开关电源分析与仿真傅智河谢煌生赖义汉（龙岩学院物理与机电工程学院）摘要：投饵机的开关电源和主负载电动机产生大量的ＥＭＩ，使投饵机工作性能下降，故障率高。本文分析投饵机开关电源的ＥＭＩ，采取多种抑制干扰措施，利用ＰＳＰＩＣＥ仿真软件工具，合理地调整电路元件参数，通过电磁兼容设计使投饵机开关电源能够协调、有效地工作，提高了产品稳定性和抗干扰能力。关键词：开关电源；ＰＳＰＩＣＥ仿真；滤波器ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＦｅｅｄｅｒＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ（ＣｏｌｌｅｇｅＦｕＺｈｉ－ｈｅ，ＸｉｅＨｕａｎｇ－ｓｈｅｎｇ，ＬａｉＹｉ－ｈａｎｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬｏｎｇｙａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｅｃａｕｓｅｔｈｅｆｅｅｄｅｅｓｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｎｄｍａｉｎｌｏａｄｍｏｔｏｒｐｒｏｄｕｃｅａｌｏｔｏｆＥＭＩ．ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｆｅｅｄｅｒｄｒｏｐｓａｎｄｌｃａｄｓｔｏａｈｉｇｈｅｒｆａｉｌｕｒｅｒａｔｅ．ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｔｈｅＥＭＩｏｆｔｈｅｆｅｅｄｅｅｓｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉＳａｎａｌｙｚｅｄ．ａｎｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄａｎｔｉ?ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｆｅｅｄｅｒ’Ｓｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔａｋｉｎｇｖａｒｉｏｕｓｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｕｓｉｎｇＰＳＰＩＣＥｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｏｌｓ．ａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｌｙａｄｊｕｓｔｉｎｇｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｓｗｅｌｌ嬲ｕｔｉｌｉｚｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｄｅｓｉｇｎｔｏｍａｋｅｆｅｅｄｅｒ＇ｓｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗｏｒｋｉｎｕｎｉｓｏｎａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ＰＳＰＩＣＥｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｉｌｔｅｒ０引言开关电源效率高、体积小、重量轻、带负载能力强、工作环境宽且节能，某校自动化研究所研发的智能网箱投饵机采用了开关电源，但存在较为严重的干扰，工作不够稳定。在投饵机开关电源中，电源的开关管的快速通断，引起电压和电流的快速变化。这蝗瞬变的电压和电流，通过电源线路、寄生参数和杂散的电磁场耦合，会产生大量的电磁干扰（ＥＭＩ）：投饵机主要负载电动机间断式的起动也会产生大量的ＥＭＩ，通过供电电路影响开关电源的正常工作。文献ｆ１］指出ＥＭＩ现象普遍存在，却不能完伞消除，但能通过阻尼、滤波、接地、屏蔽和改善电动机制作工艺等措施尽量减少电动机对系统工作造成的ＥＭＩ。为此，投饵机开关电源的设计要正确了解和把握其ＥＭＩ源、产生机理和干扰传播途径，从多方面入手提高抗干扰能力，采取相应的抗干扰措施以使设备正常运行。１投饵机开关电源工作原理投饵机供电原理方框图如图ｌ所示，电机控制器供电为单端输入、双端输出反激式开关电源，输入２２０Ｖ的ＡＣ工频电压，输出２０Ｖ和５Ｖ直流电压。开关电源在不考虑辅助保护电路的情况下整体电路由六个分模块构成，分别为输入滤波、输入整流滤波电路、ＵＣ３８４３的驱动电路、变换器模块、输出整流滤波和输出检测电路。交流电压经过输入滤波和接流滤波电路得到３１０ｖ商流电压，通过功率开关管将输入的直流电压转变成一系列的方波信号施加于脉冲变压器初级绕组上，再通过脉冲变压器的电磁能量转换与传递，经过输：ｉｊ辂流滤波电路处理后，一方面通过反馈电路给ＵＣ３８４３脉冲控制器控制ＰｗＭ占宅比，以达到稳定输出的目的；另一方面给负载提供所需要的优质电压和功率。圈ｌ投饵机供电原理方框图２电源ＥＭｌ分析与抑制２．１ＥＭＩ与传播由开关管和高频变压器组成的开关电路是开关电源的主要干扰源之一【２】。它产生的干扰频带较宽且谐波丰富，这种脉冲干扰产生的主要原因是：开关管导通瞬间ｄｕ／ｄｔ值较大，作为感性负载的高频变压器初级线圈将产生较大幅度的浪涌电压，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在电感中的这部分能量将和开关管集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在脉冲电压上，形成电压尖峰。电源电压中断也会产生与初级线圈接通时一样的磁化冲击电流瞬变，这种瞬变是一种传导型ＥＭＩ，既影响开关电源正常工作，还会干扰其他设备的安全运行。另外，高频变压器的初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能会产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。如果电容滤波容量不足或高频特性不好，电容上的高频阻抗会使高频电流以差模方式传导到交流电源中形成传导干扰。开关电源工作在高频状态，因而其分布电容不可忽略。高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，产生共模干扰；脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容，将在直流输出的两条电源线上产生共模十扰。投饵机电动机在控制器作用下间断式工作，绕组中突变磁场使线圈产生瞬变过电压。当电动机在额定负载下正常工作时，若突然切断供电电流，此时，电枢仍在高速旋转，在电动机定子的励磁下，转子电枢绕组会产生自感电动势。感应电动势与原电枢电动势同方向叠加，形成过电压，其瞬态峰值可达额定电压的６～８倍，上升时间约为１００ｕＳ：另一种瞬变过电压，是在突然切断供电电流时，线圈绕组中会产生电感性负载冲击，其瞬变电压大多以向脉冲和随后的低幅值的正向脉冲出现，最高峰值可达到额定电压的１０倍以上，持续时间约为３００ｍｓｔｑ。这屿电压类似于一阶电路的指数衰减曲线形状，它能产生极大的能量泄放，会窜入控制回路，对系统中电万方数据１９电子技术设计与运用ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＤｅｓｉｇｎ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ电子技术源及控制装置产生相当大的电能冲击，干扰其正常工作，导致系统失效和逻辑判断出错，甚至击穿或烧毁电路元件。２．２ＥＭＩ抑制以上系统研究的ＥＭＩ现象属于近场的范围，研究其ＥＭＩ时，主要考虑的是传导干扰，传导干扰包括筹模干扰和共模干扰，差模干扰是产生于电源正负之间的对称性干扰；共模干扰是产生于电源正负之间的非对称性干扰。开关电源的ＥＭＩ抑制技术除屏蔽、接地等常用方法外，本设计主要从减小干扰源的ＥＭ隋邑量；切断干扰传播途径：提高受扰设备的抗干扰能力等方面入手提高设备抗干扰能力，采用措施如图２所示。模型如图４（ａ）所示，若将副边漏感、次级绕组电阻、次级分布电容分别折算到原边，并将原、副边漏电感、绕组电阻、分布电容等效组合，得到图４（ｂ）简化的等效电路。（ａ）（ｂ）罔４变爪器的横犁Ｃｃ）ｒ切断传播途径一一咖滤波器设计，输出滤波器设计传导干扰抑制‘削弱干扰源的能量一一开关管ＲＣＤ电路设计、变压器ＥＭＣ设计Ｌ提高设备对ＥＭＩ的抵抗力一一氧化体的接入３电路的ＰＳＰＩＣＥ仿真３．１ＥＭＩ滤波器的建模［３－Ｓ］ＥＭＩ滤波器由共模扼流圈、差模扼流圈和电容等组成。共模扼流圈由绕向相反、匝数相同的两组线圈组成，当有共模十扰流过时，两组线圈在磁环里感应产生的磁通方向相同，产生叠加，从而使得磁通量迅速上升，铁氧体的导磁率很高，可以获得很大的电感量，对共模干扰起到抑制的作用。差模扼流圈由匝数和绕向均相同的两个线圈组成。当差模扼流圈上流过差模干扰时，两组线圈在环形磁芯里产生方向相｜＿Ｊ的磁通，因为差模干扰在两组线圈上幅值相等相位相反，所以产生的磁通相叠加，产生了很大的电感，对差模干扰起到抑制作用。幽５两獭燹压器输｝｛｛波形］≯王王劓—棚＿Ｍ（ｂ）图３叫Ｉ滤波器的结构（ｃ）（ａ）如图３（ａ）所示，Ｌ３、Ｌ４、Ｃｘｌ、Ｃ，２用于滤除差模干扰信号，Ｃ，ｌ、Ｃ，２为电源跨接电容，又称ｘ电容。Ｌｌ、Ｌ２、Ｃ，１、Ｃｙ２用于滤除共模干扰信号。Ｌｌ、Ｌ２和Ｌ３、Ｌ４要求圈数相同，绕向符合共模扼流圈、差模扼流圈要求。共模等效电路如图３（ｂ）所示，滤波器模型为一个二阶ＬＣ型低通滤波器，将等效共模电感记为ＬｃＭ，等效共模电容记为ｃｃＭ，则有ＬｃＭ＝Ｌ１＋Ｌ２，ＣｃＭ＝２Ｇ。差模等效电路如图３（ｃ）所示，滤波器模型为一个三阶ＣＬＣ型低通滤波器，将等效差模电感记为￡ＤＭ，等效差模对图４（ｂ）电路进行仿真得图５波形，变压器输入波形和输出波形分别如图５（ａ）、（ｂ）所示。可见，由于分布参数的存在，在上升沿和下降沿具有上下冲尖峰存在，这是互感和漏感在开关转换瞬时引起电压尖峰，是ＥＭＩ的主要来源，必须加以控制。为此，改进电路如图嘶ｃ）所示，Ｃ７、Ｃ８、Ｃ１２为匝间耦合电路，Ｃｌｌ为绕组间耦合电容，在变压器绕制时，尽量减小分布电容Ｃ１１，以减小变压器原边的高频二干二扰耦合到次边绕组。另外为进一步减小ＥＭＩ，可在原、次边绕组间增加一个屏蔽层，屏蔽层良好接地，这样变压器原、次边绕组对屏蔽层间就形成耦合电容Ｃ９、ＣＩＯ，高频干扰电流就通过Ｃ９、Ｃ１０滤除。３．３投饵机开关电源仿真投饵机开关电源整体仿真原理图如图６所示，电路接入输入ＥＭＩ滤波器和输出ＥＭＩ滤波器进行仿真，得出图７、图８的仿真结果。表ｌ为差模损耗曲线参数表，对应第一、第二和第三组参数高频差模损耗曲线如图蓝、红、绿所示。由图可知，差模电容的取值在高频区影响较小，差模损耗曲线几乎重合。电感是影响滤波器差模频率的主要因素。电感大，滤波器的差模频率特性越好，但存在着磁芯饱和问题，它们的取值都不能过大。电容记为ｃＤ“令ＧＩ＝Ｃ岛且认为Ｃ以“Ｃ乏），则有ＬＤＭ＝２Ｌ３＋Ｌｉ，ｃＤＭ＝Ｇｌ＿％。缸＝面１，‰＝陆万方数据图３（ｂ）和图３（ｃ）滤波器截止频率为圈６投饵机开关电源仿真原理图图７高频差模损耗曲线表ｌ差模损耗曲线参数表共镶电蕃ｆＩＩｌｈ）第一组第二组第三组５．６５６■电蕃（ｍｈ）共曩电容差慎电容０．ＯＳ６００５６Ｏ．１趋加ｐ２２００Ｉ，０１ｕ０６８ｕ０Ｉｐ３．２高频变压器的建模实际变压器的绕组中存在着分布电容，尤其存在于线圈导线和变压器磁芯之间以及各绕组之间。电容量的大小取决于绕组的几何形状、磁芯材料的介电常数和它的封装材料等。综合考虑变压器实际，设计高频变压器的原始ｌＯ２２伽ｐ图８为电路接入输出滤波器前后的ＰＳＰＩＣＥ仿真波形，对比分析图８（ａ）和图８（ｂ），可以看到没接输出滤波器前的（下接１２页）电子技术研发ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＲ＆Ｄ电子技术（上接２０页）数据存储模块来完成。ＷＥＢ数据模块只负责与用户浏览器进行的交互操作，处理交互操作是由ＩＳＡＰＩ来完成的。（２）业务逻辑单元。本文采用的是业务逻辑与数据从空间、物理上相分离，故将业务逻辑作为一独直的单元。有以下几个业务逻辑：用户登录验证、用户提交数据、数据分析处理和服务器管理功能等４个功能。（３）通信与安全。电子证据中心服务器与客户机之间的通信可以采用ＨＴＴＰ来完成，为了安全，也可以采用ＳＳＬ力Ｕ密，即采用ＨＴＴＰｓ协议完成数据传输。很多防火墙上都开通了ＨＴＴＰｓ的端口（４４３）。凶此，用户不必担心证据中心服务器的网络数据传输过程的安全，即使通信的数据被嗅探者得到，也只是加密后的密文。５结束语结合目前较新的电子取证技术和司法实践急需的电子证据采集、保全等。Ｉ＝作需求，设计了用于分布式的多层电子证据的采集、查阅、保存这一实时ＤＥＥＣ系统，目前所做的工作均为基础性的，后续工作仍宵待深入，如数据的即时分析与响应，更人性化的界面等，基于第三方的公正、透明、安全的实时电子取证系统将有更大的司法实践需求和现实意义。参考文献：［１］ＲｅｉｓＭＡ，ＧｅｕｓＰＬ．Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒｆｏｒｅｎｓｉｃｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓａｎｄｐｒｏｔｏｃｏｌｓ．【Ｃ】．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＦＩＲＳＴ２００２：１４ｔｈＡｎｎｕａｌＣｏｍｐｕｔｅｒＳｅｃｕｒｉｔｙＩｎｃｉｄｅｎｔＨａｎｄｌｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｗａｉｋｏｌｏａ，ＨＩ，ＵＳＡ，Ｊｕｎｅ２００２．［２］ＮｏｂｌｅｔＭ，ＰｏｌｌｉｔｔＭ，ＰｒｅｓｌｅｙＬ．Ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇａｎｄｅｘａｍｉｎｉｎｇｃｏｍｐｔａｅｒｆｏｒｅｎｓｉｃｅｖｉｄｅｍｅ［Ｊ］．Ｆｏｍａｓｉｃ图形干扰严重，当接入滤波器后，滤除了很多干扰，效果明显。图８输出滤波器接入前厄的输出渡彤图针对功率开关管的漏极的尖峰电压，常采用ＲＣ吸收回路来减小尖峰电压。ＲＣ的数值要根据高频变压器的工作频率来选择。对已经确定ＲＣ常数的凹路来说，电阻值与电容值要合理分配，电阻值过大，尖峰电版吸收效果差；电容值过大，将会使功率开关管的导通电流增大，电源效率损失较多【６】。图９为接入ＲＣ吸收电路前后的仿真图，从图９（ａ）、（ｂ）可见接Ａ．ＲＣ吸收电路后，尖峰电压干扰得到明显抑制。图９开关管接入ＲＣＤ前后的电压波形图ｓＩ商ｏｎｃｃ‘ａ姗ｍｉｃ砸ｏｎｓ－２０００，２（４）．［３］张越今．网络安全与计算机犯罪勘查技术学［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００３．作者简介：许月琳（１９７１．），女，江苏滨海人，硕士，工程师。研究方向：电子通讯与信号检测技术。手机：１３９１５５８３９３９电子信箱：ｘｕｙｕｅｌ＠ｓｉｉｔ．ｃｎ通信地址：江苏省苏州市劳动路２８号锦亭大厦１３０２室（２１５０００）４结束语本文针对投饵机开关电源，分析了产生干扰的重要原因，使用ＰＳＰＩＣＥ仿真软件组建器件的模型进而得出开关电源的高频电路模型。并对开芙电源的传导ＥＭＩ进行仿真，通过ＰＳＰＩＣＥ仿真对比，可以明显地看到相关电路的设计效果。ＥＭＩ是很复杂的问题，投饵机开关电源以ＰＳＰＩＣＥ仿真为依据，调整了电路元件参数。结果证实，产品电气性能的可靠性得到大大提高，本文可以为同类产品的电路设计提供一定的参考和借鉴。参考文献：［１］许保彬．机电设备中电动机ＥＭＩ现象抑制［Ｊ］．微电机，２００８，４１（３）：５９—６１．［２］李建婷，丁志亮，熊蕊．开关电源ＥＭＩ的抑制策略［Ｊ】．通信电源技术，２００６，２３（２）：５卜５３．［３］邢端，丁吉吉．ＰＷＭ开关电源闭环控制的仿真研究阴．［４］李葳，殳国华．基于Ｉ眦ＴＩＳＩＭ的反激式开关电源的仿真【Ｊ】．电气自动化，２０１０，３２（２）：１２６—１２８．［５］王琳，刁嫣妲，李荣震，等．单端反激式双输出开关电源设计［Ｊ］．辽宁科技大学学报，２０１０，３３（２）：１４１—１４５．［６］郑征，张磊，高庆华．通信高频开关电源ＥＭＩ抑制分析［Ｊ］．湖南工业大学学报，２００９，２３（５）：６６—６８。作者简介：傅智河（１９７０一），男，教师，主要从事电子技术应用专业教学工作．电子信箱：ｆｕ３６９＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ基金项目：电气开关，２０１０（１）：２１—２３．福建省教育厅Ｂ类项目（皿０９２２３）１２万方数据

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