DC-DC轉(zhuǎn)換器的電磁兼容技術(shù)

摘　要：本文簡單分析了DC-DC轉(zhuǎn)換器的電磁干擾（EMI）產(chǎn)生的機(jī)理，并對DC-DC轉(zhuǎn)換器的EMC設(shè)計(jì)進(jìn)行了有側(cè)重的探討和總結(jié)。
 
關(guān)鍵詞：DC-DC轉(zhuǎn)換器；電磁兼容；電磁干擾
 
引言
 
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器是通信系統(tǒng)的動(dòng)力之源，已在通信領(lǐng)域中達(dá)到廣泛應(yīng)用。由于具有高頻率、寬頻帶和大功率密度，它自身就是一個(gè)強(qiáng)大的電磁干擾（EMI）源，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致周圍的電子設(shè)備功能紊亂，使通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、出現(xiàn)異常的停機(jī)和報(bào)警等，造成不可彌補(bǔ)的后果；同時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器本身也置身于周圍電磁環(huán)境中，對周圍的電磁干擾也很敏感（EMS），如果沒有很好的抗電磁干擾能力，它也就不可能正常工作。因此，營造一種良好的電磁兼容（EMC）環(huán)境，是確保電子設(shè)備正常工作的前提，且也成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的重要考慮因素。
 
DC-DC轉(zhuǎn)換器EMC特點(diǎn)
 
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器具有體積小、功率密度大、工作頻率高等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)直接導(dǎo)致電源內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜，同時(shí)也帶來了一系列高頻EMI的問題，產(chǎn)生的干擾對電源本身和周圍電子環(huán)境帶來很大的影響。為滿足日趨嚴(yán)格的國際電磁兼容法規(guī)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的EMC設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電源設(shè)計(jì)中的首要問題之一。
 
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器的EMC問題主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)： DC-DC轉(zhuǎn)換器作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；干擾源主要集中在功率開關(guān)器件以及與之相連的鋁基板和高頻變壓器；由于DC-DC轉(zhuǎn)換器與其它電子電路相連緊湊，產(chǎn)生的EMI很容易造成不良影響。
 
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器的共模干擾信號(CM)和差模干擾信號(DM)的分布圖如圖1所示。這是分析干擾信號特性十分有用的列線圖。如果設(shè)備在某段頻率范圍內(nèi)有傳導(dǎo)干擾電平超標(biāo)，查閱該圖可得出是哪一種類型的傳導(dǎo)干擾信號占主導(dǎo)地位，從而指導(dǎo)改變EMI濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)等相應(yīng)措施加以解決。
 

圖1 DC-DC轉(zhuǎn)換器的共模干擾信號和差模干擾信號分布圖
 
DC-DC轉(zhuǎn)換器的EMC設(shè)計(jì)
 
屏蔽和接地
 
　　屏蔽能有效地抑制通過空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個(gè)：一是限制內(nèi)部的輻射電磁能越過某一區(qū)域；二是防止外來的輻射進(jìn)入某一區(qū)域。屏蔽是解決DC-DC轉(zhuǎn)換器EMC問題的手段之一，目的是切斷電磁波的傳播途徑，主要是做好DC-DC轉(zhuǎn)換器的機(jī)殼密封性屏蔽。接地的要點(diǎn)是電位相同、內(nèi)部電路不互相干擾、抵御外來干擾。盡量減少導(dǎo)線電感引起的阻抗，增加地環(huán)路的阻抗，減少地環(huán)路的干擾。
 
軟開關(guān)技術(shù)
 
　　應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)運(yùn)行可以大大減小功率器件的di/dt和dv/dt。即功率管能在零電壓下導(dǎo)通和零電流下關(guān)斷，若同時(shí)快速二極管也采用軟關(guān)斷，則可以大幅度降低DC-DC 轉(zhuǎn)換器的EMI水平。
 
優(yōu)化緩沖電路
 
　　在開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路中添加緩沖電路也可以有效減少電路中的di/dt和dv/dt，從而減少EMI干擾源。緩沖電路延緩功率開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷過程，從而降低DC-DC 轉(zhuǎn)換器的EMI水平。對于相同型號的開關(guān)管，在其他條件相同只是驅(qū)動(dòng)緩沖電路不同的情況下由試驗(yàn)來決定。
 
　　例如中轉(zhuǎn)換器A采用無驅(qū)動(dòng)緩沖電阻的驅(qū)動(dòng)電路；轉(zhuǎn)換器B則采用了150Ω驅(qū)動(dòng)緩沖電阻反并聯(lián)二極管的驅(qū)動(dòng)電路。通常開關(guān)管關(guān)斷的dv/dt要比開通時(shí)小很多，對DC-DC 轉(zhuǎn)換器的EMI水平影響較小。反向并聯(lián)有二極管，這樣開通速度可以減慢，而關(guān)斷速度不受影響，可以最大限度地保證原有的整機(jī)效率不受影響。
 
　　實(shí)驗(yàn)證明轉(zhuǎn)換器B中開關(guān)管開通速度要比轉(zhuǎn)換器A慢很多，轉(zhuǎn)換器B開關(guān)管開通時(shí)VDS的 dv/dt 為2V/nS左右，而轉(zhuǎn)換器A開關(guān)管開通時(shí)VDS的dv/dt為5V/nS左右，要大很多?？梢娫黾舆m當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電阻并優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路，可以顯著的減小電路中的di/dt和dv/dt，降低電源DC-DC 轉(zhuǎn)換器的EMI水平。
 
　　EMI輻射發(fā)射試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證開關(guān)管驅(qū)動(dòng)緩沖電阻大小對整個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器EMI水平的影響。圖2為轉(zhuǎn)換器B采用非夾繞變壓器時(shí)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電阻取值為1Ω和47Ω（反向并聯(lián)有二極管）時(shí)的輻射干擾?？梢钥闯鲈龃篁?qū)動(dòng)電阻后，30MHz和接近200MHz的頻點(diǎn)各有3_5dB的明顯改善。
 
　　驅(qū)動(dòng)電阻為1Ω（水平方向）
 
　　驅(qū)動(dòng)電阻為47Ω（水平方向）
 

圖2  驅(qū)動(dòng)電阻對輻射發(fā)射的影響
 
　　因此得出結(jié)論是，單靠提高開關(guān)速度來提高DC-DC轉(zhuǎn)換器效率是不可取的。于是，如何選擇合適的驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)、不斷地優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，在提高DC-DC轉(zhuǎn)換器的EMC性能的同時(shí)又保證總效率等其他參數(shù)指標(biāo)不受到大的影響，是近年來發(fā)展的一個(gè)新方向。例如，在驅(qū)動(dòng)電路中保留驅(qū)動(dòng)電阻的同時(shí)加入推挽電路以代替二極管，這樣就可以方便地分別調(diào)節(jié)控制開和關(guān)的速度，再權(quán)衡EMC性能和總效率指標(biāo)的關(guān)系，以達(dá)到最理想的效果。如圖3所示。
 

圖3  有驅(qū)動(dòng)緩沖電阻、開關(guān)速度均可以控制的驅(qū)動(dòng)電路
 

濾波技術(shù)
 
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器的EMI濾波器是由電感、電容等構(gòu)成的無源雙向多端口網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上它起兩個(gè)低通濾波器的作用，一個(gè)衰減共模干擾，另一個(gè)衰減差模干擾。它能在阻帶（通常大于10KHz）范圍內(nèi)衰減射頻能量而讓工頻無衰減或很少衰減地通過。EMI濾波器是DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)工程師控制傳導(dǎo)電磁干擾和輻射電磁干擾的首選工具。
 
　　濾波器對EMI信號的損耗叫插入損耗。顯然，測量濾波器的插入損耗曲-頻率線，可檢驗(yàn)它對EMI的濾波效果。
 
　　DC-DC轉(zhuǎn)換器的EMC濾波電路應(yīng)該滿足以下設(shè)計(jì)原則：