摘要：詳細分析了隔離式DC／DC變換器產(chǎn)生電磁噪聲干擾的機理，介紹了在DC／DC變換器主電路及控制電路設計時(shí)所采取的電磁兼容措施。
關(guān)鍵詞：隔離式DC／DC變換器；電磁干擾分析；電磁兼容設計
0 引言
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源模塊以其相對體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)而逐漸取代傳統整流電源。但是，由于開(kāi)關(guān)電源工作頻率高，內部會(huì )產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率(即高dv／dt和di／df)，導致開(kāi)關(guān)電源模塊產(chǎn)生較強的電磁干擾，并通過(guò)傳導、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統的正常工作，當然其本身也會(huì )受到其它電子設備電磁干擾的影響，電磁干擾將造成傳輸信號畸變，影響電子設備的止常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁下擾，嚴重時(shí)會(huì )損壞電子設備。而對于某些電子設備，電磁輻射會(huì )引起重要信息的泄漏，嚴重時(shí)會(huì )威脅國家信息安全。這就是我們所討論的電磁兼容性問(wèn)題。另外，國家開(kāi)始對部分電子產(chǎn)品強制實(shí)行3C認證，因此，一個(gè)電子設備能否滿(mǎn)足電磁兼容標準，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場(chǎng)上銷(xiāo)售，所以，進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。
1 內部噪聲干擾源分析
l.l 二極管廈向恢復引起的噪聲干擾
在開(kāi)關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續流二極管等，由于這些二極管都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，如圖l所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導通的轉換過(guò)程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰UFP;在二極管由導通狀態(tài)到阻斷的轉換過(guò)程中，存在一個(gè)反向恢復時(shí)間trr在反向恢復過(guò)程中，由于二極管封裝電感及引線(xiàn)電感的存在，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰URP由于少子的存儲與復合效應，會(huì )產(chǎn)生瞬變的反向恢復電流尖峰IRP,這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。
1.2 開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾
在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負載時(shí)近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會(huì )產(chǎn)生很強的電磁干擾。在反激變換器中，流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流波形在阻性負載時(shí)近似三角波，高次諧波成分相對較少。開(kāi)關(guān)管在開(kāi)通時(shí)，由于開(kāi)通時(shí)間很短以及逆變回路中引線(xiàn)電感的存在，將產(chǎn)生很大的dv／dt和很高的尖峰電壓，在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于關(guān)斷時(shí)間很短，將產(chǎn)生很大的di／dt和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強的電磁干擾。
1.3 電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾
在開(kāi)關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過(guò)寄生電容耦合到次級；功率變壓器由于繞制工藝等原因，原、次級耦合不理想而存在漏感，漏感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，另外，功率變壓器線(xiàn)圈繞組流過(guò)高頻脈沖電流，在周?chē)纬筛哳l電磁場(chǎng)；電感線(xiàn)圈中流過(guò)脈動(dòng)電流會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)輻射，而且在負載突切時(shí)，會(huì )形成電壓尖峰，同時(shí)，當它工作在飽和狀態(tài)時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生電流突變，這些都會(huì )引起電磁干擾。
l.4 控制電路引起的電磁干擾
控制電路中周期性的高頻脈沖信號，如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對周?chē)娐樊a(chǎn)生電磁干擾。
l.5 其他電磁干擾
電路中還會(huì )有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。另外，不合理的布線(xiàn)將使電磁干擾通過(guò)線(xiàn)線(xiàn)之間的耦合電容和分布互感串擾或輻射到鄰近導線(xiàn)上，從而影響其它電路的正常工作。還有熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進(jìn)行熱交換，這種電磁干擾會(huì )影響其它電子元器件或電路的正常穩定工作。
2 外界的電磁干擾
對于某一電子設備，外界對其產(chǎn)生影響的電磁干擾包括電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽(yáng)噪聲、靜電放電以及周?chē)母哳l發(fā)射設備。
3 開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計
進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設汁時(shí)，首先要明確系統需要滿(mǎn)足的電磁兼容標準；確定系統內的關(guān)鍵電路，包括強干擾源電路、高度敏感電路；明確電源設備工作環(huán)境中的電磁于擾源及敏感設備；然后確定對電源設備所要采取的電磁兼容性措施。因此，開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計主要從以下3個(gè)方面入手：
1)減小干擾源的電磁干擾能量；
2)切斷干擾傳播途徑；
3)提高受擾設備的抗干擾能力。
下面以隔離式DC／DC變換器為例，討論開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性設計。
3.1 DC／DC變換器輸入電路的電磁兼容設計
如圖2所示，FV1為瞬態(tài)電壓抑制二極管RV1為壓敏電阻，都具有很強的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護后級元器件或電路免遭浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，必須良好接地接地線(xiàn)要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線(xiàn)之間的屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導干擾沿輸入線(xiàn)的傳播和輻射干擾沿空間的傳播。L1及C1組成低通濾波電路，當L1電感值鞍大時(shí)，還須增加如圖2所示的D1和R1，形成續流回路，吸收L1斷開(kāi)時(shí)釋放的電場(chǎng)能量，否則，L1產(chǎn)生的電壓尖峰就會(huì )形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開(kāi)環(huán)磁芯的漏磁場(chǎng)會(huì )形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線(xiàn)上的紋波電壓，從而減小在輸入導線(xiàn)周?chē)纬傻碾姶艌?chǎng)。
3.2 高頻逆變電路的電磁兼容設計
如圖3所示，C2、C3、V2、V3組成的半橋逆變電路，V2、V3為lGBT或M0SFET等開(kāi)關(guān)器件，在V2、V3開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)，由于開(kāi)關(guān)時(shí)間很短以及引線(xiàn)電感、變壓器漏感的存在，回路會(huì )產(chǎn)生較高的di／dt、dv／dt，從而形成電磁干擾，為此，在變壓器原邊兩端增加R4、C4構成的吸收回路，或在V2、V3兩端分別并聯(lián)電容器C5、C6，并縮短引線(xiàn)，減小a—b、c—d、g—h、e—f的引線(xiàn)電感。在設計中，G4C5、C6。一般采用低感電容，電容器容量的大小取決于引線(xiàn)電感量、同路中電流值以及允許的過(guò)沖電壓值的大小，由LI2／2=C△V2／2求得C的大小(L為回路電感，I為回路電流，△V為過(guò)沖電壓值)。
為減小△V，就必須減小回路引線(xiàn)電感值，為此，在設計時(shí)常使用一種叫“多層低感復合母排”的裝置，由我集團公司申請專(zhuān)利的該種母排裝置能將回路電感降低到足夠小，達lOnH級，從而達到減小高頻逆變回路電磁干擾的目的。
在大電流或高電壓下的快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作是產(chǎn)生電磁噪聲的根本，因此，盡可能選用產(chǎn)生電磁噪聲小的電路拓撲，如在同等條件下雙管正激拓撲比單管正激拓撲產(chǎn)生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產(chǎn)生電磁噪聲要小。另外，使用ZCS或ZVS軟開(kāi)關(guān)變換技術(shù)能有效降低高頻逆變回路的電磁干擾。
圖4所示為增加緩沖電路后開(kāi)關(guān)管上的電流、電壓波形與沒(méi)有緩沖回路時(shí)的波形比較，可見(jiàn)增加緩沖電路后電流電壓變化率降低很多。
由于變壓器是一個(gè)發(fā)熱元件，較差的散熱條件必然導致變壓器溫度升高，從而形成熱輻射，因此，變壓器必須有很好的散熱條件。
通常將高頻變壓器封裝在一個(gè)鋁殼盒內，并灌注電子硅膠，鋁盒還可安裝在鋁散熱器上，這樣變壓器即可形成較好的電磁屏蔽，還可保證有較好的散熱效果．減小串磁輻射。
3.4 輸出整流電路的電磁兼容設計
圖6所示為半波整流電路，D6為整流二極管，D7為續流二極管，由于D6、D7，工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此，輸出整流電路的電磁干擾源主要是D6和D7．把R5、G12和R6、C13分別連接成D6、D7，的吸收電路，用于吸收其開(kāi)關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰。
減少整流二極管的數量可減小電磁干擾的能量，因此，在同等條件下，采用半波整流比采用全波整流和全橋整流產(chǎn)生的電磁干擾要小。
為減小二極管的電磁干擾，必須選用具有軟恢復特性的、反向恢復電流小的、反向恢復時(shí)間短的二極管。從理論上講，肖特基勢壘二極管(SBD)是多數載流子導流，不存在少子的存儲與復合效應，因而也就不會(huì )有反向電壓尖峰干擾，但實(shí)際上對于具有較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著(zhù)電子勢壘厚度的增加，反向恢復電流會(huì )增大，也會(huì )產(chǎn)生電磁噪聲。因此，在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管產(chǎn)生的電磁干擾會(huì )比選用其它二極管要小。
3.5 輸出直流濾波電路的電磁兼容設計
輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導干擾沿導線(xiàn)向輸出負載端傳播，減小電磁干擾在導線(xiàn)周?chē)碾姶泡椛洹?br />
如圖7所示，L2、C7、C18組成的LC濾波電路，能減小輸出電流、電壓紋波的大小，從而減小通過(guò)輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C17、C18應盡量采用多個(gè)電容并聯(lián)，以減小等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓。輸出電感L2應盡量大，以減小輸出紋波電流的大小，另外，電感L2最好使用不開(kāi)氣隙的閉環(huán)磁芯，最好不是飽和電感。在設計時(shí)要記住，導線(xiàn)上有電流、電壓的變化，在導線(xiàn)周?chē)陀凶兓碾姶艌?chǎng)，電磁場(chǎng)就會(huì )沿空間傳播形成電磁輻射。
C19用于濾除導線(xiàn)上的共模干擾，盡量選用低感電容，且接線(xiàn)要短。C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線(xiàn)上的差模干擾，宜選用低感的三端電容，且接地線(xiàn)要短，接地可靠。
Z3為直流EMI濾波器，根據情況決定使用或不使用，是采用單級還是多級，但要求Z3直接安裝在金屬機箱上，并且濾波器輸入、輸出線(xiàn)最好能屏蔽隔離。
3.6 接觸器、繼電器、風(fēng)機的電磁兼容設計
繼電器、接觸器、風(fēng)機等在失電后，其線(xiàn)圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此，在直流線(xiàn)圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管或RC吸收電路，在交流線(xiàn)圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線(xiàn)圈失電后產(chǎn)生的電壓尖峰。如果接觸器線(xiàn)圈電源與輔助電源的輸人電源為同一個(gè)電源時(shí)，之間最好通過(guò)一個(gè)EMI濾波器。繼電器觸頭動(dòng)作時(shí)也將產(chǎn)生電磁干擾，因此，也要在觸頭兩端增加RC吸收電路。
3.7 開(kāi)關(guān)電源箱體結構的電磁兼容設計
1)材料選擇在進(jìn)行開(kāi)關(guān)電源的箱體結構設計時(shí)，對于屏蔽材料的選擇原則是，當干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，選用高電導率的金屬材料，屏蔽效果較好；當干擾電磁場(chǎng)的頻率較低時(shí)，選用高磁導率的金屬材料，屏蔽效果較好；在某些場(chǎng)合下，如果要求對高頻和低頻電磁場(chǎng)都具有良好的屏蔽效果時(shí)，往往采用高電導率和高磁導率的金屬材料組成多層屏蔽體。
2)孔洞、縫隙、搭接處理方法采用電磁屏蔽方法無(wú)須重新設計電路，便可達到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個(gè)無(wú)縫隙、無(wú)孔洞、無(wú)透人的導電連續體，低阻抗的金屬密封體，但是，開(kāi)關(guān)電源需要有輸入、輸出線(xiàn)過(guò)孔、散熱通風(fēng)孔等，以及箱體結構部件之間的搭接縫隙，如果不采取措施，這些孔洞和縫隙將會(huì )導致電磁泄漏，使箱體的屏蔽效能降低、甚至完全喪失。因此，在設計開(kāi)關(guān)電源箱體時(shí)，金屬板之間的搭接最好采用焊接，無(wú)法焊接時(shí)要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料；箱體上的開(kāi)孔孔徑要小于被屏蔽的電磁波波長(cháng)的1／2，否則屏蔽效果將大大降低；對于通風(fēng)孔，在屏蔽要求不高時(shí)可以使用穿孔金屬板或金屬化絲網(wǎng)，在既要求屏蔽效能高，又要求通風(fēng)效果好時(shí)選用截止波導管等方法，以提高屏蔽體的屏蔽效能。如果箱體的屏蔽效能仍無(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開(kāi)關(guān)電源整個(gè)箱體的屏蔽之外，還可以對電源設備內部的元器件、部件等干擾源或敏感設備進(jìn)行局部屏蔽。
3)其他在進(jìn)行箱體結構設計時(shí)，針對設備上所有會(huì )受到靜電放電影響的部分，須設計一條低阻抗的電流泄放路徑，箱體必須有可靠的接地措施，并且要保證接地線(xiàn)的載流能力，同時(shí)，將敏感電路或元器件布置得遠離這些泄放回路，或對其采用電場(chǎng)屏蔽措施。對于結構件的表面處理，一般需要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫等，具體要從導電性能、電化學(xué)反應、成本及電磁兼容性等多方面考慮后做出選擇。
3.8 元器件布局與布線(xiàn)中的電磁兼容設計
對于開(kāi)關(guān)電源設備內部元器件的布局必須整體考慮電磁兼容性的要求，設備內部的干擾源會(huì )通過(guò)輻射和串擾等途徑影響其它元器件或部件的正常工作，研究表明，在離干擾源一定距離時(shí)，干擾源的能量將大大衰減，因此，合理的布局有利于減小電磁干擾的影響。
EMl輸入輸出濾波器最好安裝在金屬機箱的入出口處，并保證輸入與輸出線(xiàn)的屏蔽隔離。
敏感電路或元器件要遠離發(fā)熱源。
對于開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，一般須遵守以下布線(xiàn)原則。
1)主電路輸入線(xiàn)與輸出線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)。
2)EMI濾波器輸入線(xiàn)與輸出線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)。
3)主電路線(xiàn)與控制信號線(xiàn)分開(kāi)走線(xiàn)。
4)高壓脈沖信號線(xiàn)最好分開(kāi)單獨走線(xiàn)。
5)分開(kāi)布線(xiàn)要避免平行走線(xiàn)，可以垂直交叉，線(xiàn)束之間距離在20mm以上。
6)電纜不要貼著(zhù)金屬外殼和散熱器走線(xiàn)，保證一定距離。
7)雙絞線(xiàn)、同軸電纜及帶狀電纜在EMC設計中的使用。
(1)雙絞線(xiàn)、同軸電纜都能有效地抑制電磁干擾在脈沖信號傳輸線(xiàn)路中常使用雙絞線(xiàn)，控制輔助電源線(xiàn)和傳感器信號線(xiàn)最好用雙絞屏蔽線(xiàn)。因為雙絞線(xiàn)兩根線(xiàn)之間有很小的回路面積，而且雙絞線(xiàn)的每?jì)蓚�(gè)相鄰的回路上感應出的電流具有大小相等、方向相反，產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，這樣就可以減小因輻射引起的差模干擾，不過(guò)雙絞線(xiàn)絞合的圈數最好為偶數，且每單位波長(cháng)所絞合的圈數愈多，消除耦合的效果愈好。使用時(shí)注意雙絞線(xiàn)和同軸電纜兩端不能同時(shí)接地，只能單端接地，而對屏蔽線(xiàn)，屏蔽層兩端接地能既能屏蔽電場(chǎng)還能屏蔽磁場(chǎng)，單端接地只能屏蔽電場(chǎng)。使用同軸電纜時(shí)還要注意，其屏蔽層必須完全包覆信號線(xiàn)接地，即接頭與電纜屏蔽層必須360。搭接，才能有效屏蔽電磁場(chǎng)，如圖8所示，信號線(xiàn)裸露部分仍可以與外界形成互容耦合，降低屏蔽效能。
(2)帶狀電纜適合于短距離的信號傳輸為了降低差模信號的電磁輻射，必須減小信號線(xiàn)和信號回流線(xiàn)所形成的回路面積，因此，在設計帶狀電纜布局時(shí)，最好將信號線(xiàn)與接地線(xiàn)間隔排列。如圖9所示，其中S為信號線(xiàn)，G為信號地線(xiàn)。
3.9元器件的選擇
熱傳播的方式有三種，即傳導、對流和輻射。熱輻射是以電磁波的形式向空間傳播的，熱傳導也會(huì )向周?chē)渌骷䝼鲗崃�，這些都會(huì )影響其它元器件或電路的正常工作，因此，從元器件熱設計方面考慮要盡量留有較大余量，以降低元器件的溫升及器件表面的溫度，除元器件對溫升有特殊要求外，一般開(kāi)關(guān)電源要求內部元器件溫度小于90℃，內部環(huán)境溫度不超過(guò)65℃，以減4、熱輻射干擾。
對數字集成電路，從電磁兼容性角度看，應多選用高噪聲容限的CMOS器件代替低噪聲容限的TTL器件。
盡量使用低速、窄帶元器件和電路。
選用分布電感較小的表面貼裝元器件(SMD)，選用高頻特性好、等效串聯(lián)電感低的陶瓷介質(zhì)電容器、高頻無(wú)感電容器、三端電容器和穿心電容器等作濾波電容。
3.10 控制電路及PCB的電磁兼容設計
信號地是指信號電流流回信號源的一條低阻抗路徑。在設計中往往由于接地方法不恰當而產(chǎn)生地環(huán)路干擾和公共阻抗耦合干擾。因此，要合理選用接地方式，接地的方式有單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和混合接地。
1)地環(huán)路干擾常發(fā)生在通過(guò)較長(cháng)電纜連接，地相距較遠的設備之問(wèn)。原因是由于地環(huán)路電流的存在，使兩個(gè)設備的地電位不同。通常用光電耦合器或隔離變壓器進(jìn)行“地”隔離，消除地環(huán)路干擾。由于隔離變壓器繞組之間寄生電容較大，即使采取屏蔽措施的隔離變壓器通常也只用于1MHz以下的信號隔離，超過(guò)lMHz時(shí)多采用光電耦合器隔離。
2)公共阻抗耦合當兩個(gè)電路的地電流流過(guò)一個(gè)公共阻抗時(shí)，就會(huì )發(fā)生公共阻抗耦合。由于地線(xiàn)是信號回流線(xiàn)，一個(gè)電路的工作狀態(tài)必然會(huì )影響地線(xiàn)電壓，當兩個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，地線(xiàn)的電壓就會(huì )同時(shí)受到兩個(gè)電路工作狀態(tài)的影響。
可見(jiàn)無(wú)論是地環(huán)路干擾還是公共阻抗耦合問(wèn)題都是由于地線(xiàn)阻抗引起的，因此，在設計時(shí)一定要考慮盡量降低地線(xiàn)阻抗與感抗。
3)減小控制電源噪聲 電源線(xiàn)上有電流突變，就會(huì )產(chǎn)生噪聲電壓。在靠近芯片的位置增加解耦電容，能有效減小噪聲。如果是高頻電流負載，則采用多個(gè)同容量的高頻電容和無(wú)感電容并聯(lián)能獲得更好的效果。注意電容容量并非越大越好，主要根據其諧振頻率、提供脈沖電流頻率來(lái)選擇。
4)印制板的合理布線(xiàn)印制板合理地布置地線(xiàn)將能有效地減小印制板的輻射以及提高其抗輻射干擾能力，請注意以下幾條。
(1)布置地線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，即在雙面板的兩面布置最多的平行地線(xiàn)。
(2)對于一些關(guān)鍵信號(如脈沖信號和對外界較敏感的電平信號)的地線(xiàn)的布置必須盡量縮小引線(xiàn)長(cháng)度，減小信號的回流面積，如果是雙面板，地線(xiàn)和信號線(xiàn)可以在印制板兩面并聯(lián)平行走線(xiàn)。
(3)若是多層線(xiàn)路板，且既有數字地又有模擬地，則數字地和模擬地必須布置在同一層，減小它們之間的耦合干擾。
(4)在實(shí)際電路中常發(fā)生公共阻抗耦合，因此，要根據實(shí)際情況選擇正確的接地方式。
3.1l 其他方法
1)給IGBT、MOSFET等開(kāi)關(guān)器件的驅動(dòng)信號增加一個(gè)-5V~-1OV的負電平，可提高驅動(dòng)信號的抗干擾能力，或驅動(dòng)信號采用光纖傳輸，光纖適宜于遠距離傳輸，具有抗干擾能力強的特點(diǎn)。
2)為了防止電平信號中的毛刺，引起軟件的誤判斷及誤動(dòng)作，可以通過(guò)多次采樣等數字濾波技術(shù)來(lái)濾除干擾信號。
4 結語(yǔ)
本文詳細分析了隔離式Dc／Dc變換器存在的電磁干擾源及其產(chǎn)生機理，并詳細介紹了針對其主電路和控制電路的電磁兼容設計方法，這些方法對其它電子產(chǎn)品的電磁兼容設計具有一定的參考價(jià)值。 |
