智能投餌機(jī)開關(guān)電源分析與仿真

摘要：投餌機(jī)的開關(guān)電源和主負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生大量的EMI，使投餌機(jī)工作性能下降，故障率高。本文分析投餌機(jī)開關(guān)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(diào)整電路元件參數(shù)，通過電磁兼容設(shè)計(jì)使投餌機(jī)開關(guān)電源能夠協(xié)調(diào)、有效地工作，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性和抗干擾能力。
關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；PSPICE仿真；濾波器

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。