智能投餌機(jī)開關(guān)電源分析與仿真

　　0 引言

　　開關(guān)電源效率高、體積小、重量輕、帶負(fù)載能力強(qiáng)、工作環(huán)境寬且節(jié)能，某校自動(dòng)化研究所研發(fā)的智能網(wǎng)箱投餌機(jī)采用了開關(guān)電源，但存在較為嚴(yán)重的干擾，工作不夠穩(wěn)定。在投餌機(jī)開關(guān)電源中，電源的開關(guān)管的快速通斷，引起電壓和電流的快速變化。這些瞬變的電壓和電流，通過電源線路、寄生參數(shù)和雜散的電磁場(chǎng)耦合，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾(EMI);投餌機(jī)主要負(fù)載電動(dòng)機(jī)間斷式的起動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生大量的EM-I，通過供電電路影響開關(guān)電源的正常工作。文獻(xiàn)指出EMI現(xiàn)象普遍存在，卻不能完全消除，但能通過阻尼、濾波、接地、屏蔽和改善電動(dòng)機(jī)制作工藝等措施盡量減少電動(dòng)機(jī)對(duì)系統(tǒng)工作造成的EMI。為此，投餌機(jī)開關(guān)電源的設(shè)計(jì)要正確了解和把握其EMI源、產(chǎn)生機(jī)理和干擾傳播途徑，從多方面入手提高抗干擾能力，采取相應(yīng)的抗干擾措施以使設(shè)備正常運(yùn)行。

　　1 投餌機(jī)開關(guān)電源工作原理

　　投餌機(jī)供電原理方框圖如圖1所示，電機(jī)控制器供電為單端輸入、雙端輸出反激式開關(guān)電源，輸入220V的AC工頻電壓，輸出20V和5V直流電壓。開關(guān)電源在不考慮輔助保護(hù)電路的情況下整體電路由六個(gè)分模塊構(gòu)成，分別為輸入濾波、輸入整流濾波電路、UC3843的驅(qū)動(dòng)電路、變

　　換器模塊、輸出整流濾波和輸出檢測(cè)電路。交流電壓經(jīng)過輸入濾波和整流濾波電路得到310V直流電壓，通過功率開關(guān)管將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變成一系列的方波信號(hào)施加于脈沖變壓器初級(jí)繞組上，再通過脈沖變壓器的電磁能量轉(zhuǎn)換與傳遞，經(jīng)過輸出整流濾波電路處理后，一方面通過反饋電路給UC3843脈沖控制器控制PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的;另一方面給負(fù)載提供所需要的優(yōu)質(zhì)電壓和功率。

　　2 電源EMI分析與抑制

　　2.1 EMI與傳播

　　由開關(guān)管和高頻變壓器組成的開關(guān)電路是開關(guān)電源的主要干擾源之一。它產(chǎn)生的干擾頻帶較寬且諧波豐富，這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因是：開關(guān)管導(dǎo)通瞬間du/dt值較大，作為感性負(fù)載的高頻變壓器初級(jí)線圈將產(chǎn)生較大幅度的浪涌電壓，由于初級(jí)線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲(chǔ)藏在電感中的這部分能量將和開關(guān)管集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在脈沖電壓上，形成電壓尖峰。電源電壓中斷也會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導(dǎo)型EMI，既影響開關(guān)電源正常工作，還會(huì)干擾其他設(shè)備的安全運(yùn)行。另外，高頻變壓器的初級(jí)線圈、開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好，電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)干擾。

　　開關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)，因而其分布電容不可忽略。高頻電流會(huì)通過分布電容流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，產(chǎn)生共模干擾;脈沖變壓器的初次級(jí)之間存在著分布電容，將在直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾。

　　投餌機(jī)電動(dòng)機(jī)在控制器作用下間斷式工作，繞組中突變磁場(chǎng)使線圈產(chǎn)生瞬變過電壓。當(dāng)電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下正常工作時(shí)，若突然切斷供電電流，此時(shí)，電樞仍在高速旋轉(zhuǎn)，在電動(dòng)機(jī)定子的勵(lì)磁下，轉(zhuǎn)子電樞繞組會(huì)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與原電樞電動(dòng)勢(shì)同方向疊加，形成過電壓，其瞬態(tài)峰值可達(dá)額定電壓的6～8倍，上升時(shí)間約為100 μs;另一種瞬變過電壓，是在突然切斷供電電流時(shí)，線圈繞組中會(huì)產(chǎn)生電感性負(fù)載沖擊，其瞬變電壓大多以向脈沖和隨后的低幅值的正向脈沖出現(xiàn)，最高峰值可達(dá)到額定電壓的10倍以上，持續(xù)時(shí)間約為300ms。這些電壓類似于一階電路的指數(shù)衰減曲線形狀，它能產(chǎn)生極大的能量泄放，會(huì)竄入控制回路，對(duì)系統(tǒng)中電源及控制裝置產(chǎn)生相當(dāng)大的電能沖擊，干擾其正常工作，導(dǎo)致系統(tǒng)失效和邏輯判斷出錯(cuò)，甚至擊穿或燒毀電路元件。

　　2.2 EMI抑制

　　以上系統(tǒng)研究的EMI現(xiàn)象屬于近場(chǎng)的范圍，研究其EMI時(shí)，主要考慮的是傳導(dǎo)干擾，傳導(dǎo)干擾包括差模干擾和共模干擾，差模干擾是產(chǎn)生于電源正負(fù)之間的對(duì)稱性干擾：共模干擾是產(chǎn)生于電源正負(fù)之間的非對(duì)稱性干擾。開關(guān)電源的EMI抑制技術(shù)除屏蔽、接地等常用方法外，本設(shè)

　　計(jì)主要從減小干擾源的EMI能量;切斷干擾傳播途徑;提高受擾設(shè)備的抗干擾能力等方面入手提高設(shè)備抗干擾能力，采用措施如圖2所示。

　　3 電路的PSPICE仿真

　　3.1 EMI濾波器的建模

　　EMI濾波器由共模扼流圈、差模扼流圈和電容等組成。共模扼流圈由繞向相反、匝數(shù)相同的兩組線圈組成，當(dāng)有共模干擾流過時(shí)，兩組線圈在磁環(huán)里感應(yīng)產(chǎn)生的磁通方向相同，產(chǎn)生疊加，從而使得磁通量迅速上升，鐵氧體的導(dǎo)磁率很高，可以獲得很大的電感量，對(duì)共模干擾起到抑制的作用。差模扼流圈由匝數(shù)和繞向均相同的兩個(gè)線圈組成。當(dāng)差模扼流圈上流過差模干擾時(shí)，兩組線圈在環(huán)形磁芯里產(chǎn)生方向相同的磁通，因?yàn)椴钅８蓴_在兩組線圈上幅值相等相位相反，所以產(chǎn)生的磁通相疊加，產(chǎn)生了很大的電感，對(duì)差模干擾起到抑制作用。

　　如圖3(a)所示，L3、L4、Cx1、Cx2用于濾除差模干擾信號(hào)，Cx1、Cx2為電源跨接電容，又稱X電容。L1、L2、Cvl、Cv2用于濾除共模干擾信號(hào)。L1、L2和L3、L4要求圈數(shù)相同，繞向符合共模扼流圈、差模扼流圈要求。

　　共模等效電路如圖3(b)所示，濾波器模型為一個(gè)二階LC型低通濾波器，將等效共模電感記為L(zhǎng)CM，等效共模電容記為CCM，則有LCM=L1+L 2，CCM=2Cy。

　　差模等效電路如圖3(c)所示，濾波器模型為一個(gè)三階CLC型低通濾波器，將等效差模電感記為L(zhǎng)DM，等效差模電容記為CDM(令Cx1=Cx2且認(rèn)為Cy/2<

　　圖3(b)和圖3(c)濾波器截止頻率為