智能投餌機開關電源分析與仿真

摘要：投餌機的開關電源和主負載電動機產生大量的EMI，使投餌機工作性能下降，故障率高。本文分析投餌機開關電源的EMI，采取多種抑制干擾措施，利用PSPICE仿真軟件工具，合理地調整電路元件參數，通過電磁兼容設計使投餌機開關電源能夠協調、有效地工作，提高了產品穩定性和抗干擾能力。
關鍵詞：開關電源；PSPICE仿真；濾波器

0 引言
開關電源效率高、體積小、重量輕、帶負載能力強、工作環境寬且節能，某校自動化研究所研發的智能網箱投餌機采用了開關電源，但存在較為嚴重的干擾，工作不夠穩定。在投餌機開關電源中，電源的開關管的快速通斷，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、寄生參數和雜散的電磁場耦合，會產生大量的電磁干擾(EMI)；投餌機主要負載電動機間斷式的起動也會產生大量的EM-I，通過供電電路影響開關電源的正常工作。文獻指出EMI現象普遍存在，卻不能完全消除，但能通過阻尼、濾波、接地、屏蔽和改善電動機制作工藝等措施盡量減少電動機對系統工作造成的EMI。為此，投餌機開關電源的設計要正確了解和把握其EMI源、產生機理和干擾傳播途徑，從多方面入手提高抗干擾能力，采取相應的抗干擾措施以使設備正常運行。

1 投餌機開關電源工作原理
投餌機供電原理方框圖如圖1所示，電機控制器供電為單端輸入、雙端輸出反激式開關電源，輸入220V的AC工頻電壓，輸出20V和5V直流電壓。開關電源在不考慮輔助保護電路的情況下整體電路由六個分模塊構成，分別為輸入濾波、輸入整流濾波電路、UC3843的驅動電路、變
換器模塊、輸出整流濾波和輸出檢測電路。交流電壓經過輸入濾波和整流濾波電路得到310V直流電壓，通過功率開關管將輸入的直流電壓轉變成一系列的方波信號施加于脈沖變壓器初級繞組上，再通過脈沖變壓器的電磁能量轉換與傳遞，經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，以達到穩定輸出的目的；另一方面給負載提供所需要的優質電壓和功率。

2 電源EMI分析與抑制
2．1 EMI與傳播
由開關管和高頻變壓器組成的開關電路是開關電源的主要干擾源之一。它產生的干擾頻帶較寬且諧波豐富，這種脈沖干擾產生的主要原因是：開關管導通瞬間du／dt值較大，作為感性負載的高頻變壓器初級線圈將產生較大幅度的浪涌電壓，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈，儲藏在電感中的這部分能量將和開關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。電源電壓中斷也會產生與初級線圈接通時一樣的磁化沖擊電流瞬變，這種瞬變是一種傳導型EMI，既影響開關電源正常工作，還會干擾其他設備的安全運行。另外，高頻變壓器的初級線圈、開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路可能會產生較大的空間輻射，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使高頻電流以差模方式傳導到交流電源中形成傳導干擾。
開關電源工作在高頻狀態，因而其分布電容不可忽略。高頻電流會通過分布電容流到散熱片上，再流到機殼地，產生共模干擾；脈沖變壓器的初次級之間存在著分布電容，將在直流輸出的兩條電源線上產生共模干擾。
投餌機電動機在控制器作用下間斷式工作，繞組中突變磁場使線圈產生瞬變過電壓。當電動機在額定負載下正常工作時，若突然切斷供電電流，此時，電樞仍在高速旋轉，在電動機定子的勵磁下，轉子電樞繞組會產生自感電動勢。感應電動勢與原電樞電動勢同方向疊加，形成過電壓，其瞬態峰值可達額定電壓的6～8倍，上升時間約為100 μs；另一種瞬變過電壓，是在突然切斷供電電流時，線圈繞組中會產生電感性負載沖擊，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，最高峰值可達到額定電壓的10倍以上，持續時間約為300ms。這些電壓類似于一階電路的指數衰減曲線形狀，它能產生極大的能量泄放，會竄入控制回路，對系統中電源及控制裝置產生相當大的電能沖擊，干擾其正常工作，導致系統失效和邏輯判斷出錯，甚至擊穿或燒毀電路元件。