開關電源MOSFET漏源極電壓電磁干擾的仿真分析

1引言

開關電源是目前用途非常廣泛的一種電源設備，然而隨著開關頻率以及開關速度的不斷提高，產(chǎn)生的電磁干擾越來越大，由于市場準入制度的實施，電磁干擾研究已引起了足夠的重視。干擾源是電磁干擾的三要素之一，是電磁干擾研究的重要部分，文獻[1~2]對干擾源進行了說明和描述，還有些學者對抑制干擾源發(fā)射的方法[3~5]和干擾源的輻射[6]進行了研究。本文從干擾源入手，對時域開關電壓信號進行電磁干擾特性研究，通過提取MOSFET時域電壓信號的特征參數(shù)，利用傅立葉變換(FFT)法，分析了開關信號電磁干擾的頻譜情況以及各參數(shù)對頻譜的影響，通過Matlab仿真證明了上述分析的正確性及工程實用性。由于FFT后頻域信號的幅值差別較大，難以研究，因此本文在FFT后，進行了對數(shù)變換，這樣既方便研究，又便于與實際進行對比。

2開關電源中的電磁干擾

由于開關電源運用了三極管的開關作用以及PWM技術，使得它與線性電源相比在效率上得到了極大的提高，但是也隨之帶來了許多問題，在三極管的開關過程中，其di/dt, dv/dt的值很大，這使得開關電源在很寬的頻率范圍內(nèi)的噪聲都很大，這些噪聲經(jīng)過電源線傳輸?shù)诫娋W(wǎng)或其它電子設備上，就會形成電磁干擾。開關管處的電磁干擾是引起開關電源中電磁干擾現(xiàn)象的重要部分，開關管是重要干擾源。

圖1所示是某型號開關電源中MOSFET漏源極的電壓波形，由一個梯形信號和一個阻尼振蕩信號疊加而成，梯形信號的上升時間和下降時間一般在十納秒到一百納秒之間，電壓和電流的變化率很快，而阻尼振蕩信號則成正弦波的指數(shù)衰減形式，它的振蕩周期一般為幾十到幾百納秒。由于梯形信號上升沿下降沿的di/dt, dv/dt很大，將產(chǎn)生很強的干擾電壓和電流，這些電壓和電流通過某種耦合方式傳輸?shù)捷斎牒洼敵龆丝诰蜁纬呻姶鸥蓴_。在開關電源中，干擾源處的電磁干擾通常具有頻譜范圍廣，干擾強度大的特點。

3 特征參數(shù)的確定

圖1中展示了一MOSFET的漏源極電壓波形，為了研究其上升時間、下降時間、阻尼振蕩等對其頻譜的影響，需要確定該波形的特征參數(shù)，然后運用Matlab編程仿真。由于該波形是由一個梯形信號和一個阻尼振蕩信號疊加而成，因此可以用分段函數(shù)進行模擬。上升沿可以用式(1)表示。

等特征參數(shù)，通過軟件就可以仿真出圖1中的波形。

4 仿真分析

本文采用了Matlab進行仿真。圖2是根據(jù)函數(shù)(1)~(4)及確定的特征參數(shù)對圖1仿真得到的開關信號及其頻譜情況，其

從圖中可以看出，該信號的頻率范圍很寬，頻域信號的幅值也很大，當然，這些干擾信號在耦合到電源外部形成電磁干擾時，能量會有很大的衰減。

仿真時，由于傅立葉變換后各頻率點的幅值變化太大，研究工作非常困難，因此本文對傅立葉變換后的幅值進行了取對數(shù)處理，另外對1dBuV的值也進行了歸零。

開關信號的上升和下降沿對干擾的幅值影響很大，圖3是上升時間或下降時間為10ns時的上升沿或下降沿的頻譜，把上升時間或下降時間改為100ns再仿真時發(fā)現(xiàn)：當上升時間或下降時間增加時，隨著頻率的升高，幅值減小的越快，也就是說，上升或下降時間的變化對高頻干擾幅值影響更大。表1中列出了上升時間或下降時間為10ns和100ns時，不同頻率的電磁干擾幅值和比較結果。從圖中還可以看出在頻率為

及其諧波頻率附近，電磁干擾的幅值有一個很大的下降。

為了研究阻尼振蕩對電磁干擾的影響，本文同樣單獨對其進行了研究，圖4為其頻譜，

當把振蕩周期從10個變?yōu)?個時，對比發(fā)現(xiàn)：振蕩時間的長短對振蕩頻率附近的幅值影響最大，對其它頻率的幅值影響很小。表2列出了振蕩周期分別為10個和5個時不同頻率的幅值。

由以上分析可以看出，適當?shù)脑黾娱_關信號的上升和下降時間，可以降低電磁干擾的發(fā)射，對高頻更為明顯，盡量減小阻尼振蕩的時間，對振蕩頻率附近的電磁干擾發(fā)射，具有明顯的效果。

5 結論

本文研究了開關電源中MOSFET漏源極電壓信號電磁干擾的頻譜特性，發(fā)現(xiàn)該信號上升和下降時間的變化對高頻干擾的幅值影響更大，且在頻率為上升和下降時間的倒數(shù)及其諧波附近，干擾幅值有一個突降。通過研究該信號中阻尼振蕩時間、周期等參數(shù)對電磁干擾的影響，得知振蕩時間的長短對振蕩頻率附近的幅值影響最大，對其它頻率的幅值影響很小。