隔離式DC/DC 變換器的電磁兼容設計

　　0 引言

　　隨著電力電子技術的發(fā)展，開關電源模塊以其相對體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點而逐漸取代傳統(tǒng)整流電源。但是，由于開關電源工作頻率高，內部會產生很高的電流、電壓變化率(即高dv／dt和di／df)，導致開關電源模塊產生較強的電磁干擾，并通過傳導、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作，當然其本身也會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，嚴重時會損壞電子設備。而對于某些電子設備，電磁輻射會引起重要信息的泄漏，嚴重時會威脅國家信息安全。這就是我們所討論的電磁兼容性問題。另外，國家開始對部分電子產品強制實行3C認證，因此，一個電子設備能否滿足電磁兼容標準，將關系到這一產品能否在市場上銷售，所以，進行開關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

　　在開關電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續(xù)流二極管等，由于這些二極管都工作在開關狀態(tài)，如圖l所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導通的轉換過程中，將產生一個很高的電壓尖峰UFP;在二極管由導通狀態(tài)到阻斷的轉換過程中，存在一個反向恢復時間trr在反向恢復過程中，由于二極管封裝電感及引線電感的存在，將產生一個反向電壓尖峰URP由于少子的存儲與復合效應，會產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生的根源。

　　1.2 開關管開關時產生的電磁干擾

　　在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過開關管的電流波形在阻性負載時近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會產生很強的電磁干擾。在反激變換器中，流過開關管的電流波形在阻性負載時近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關管在開通時，由于開通時間很短以及逆變回路中引線電感的存在，將產生很大的dv／dt和很高的尖峰電壓，在開關管關斷時，由于關斷時間很短，將產生很大的di／dt和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產生很強的電磁干擾。

　　1.3 電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾

　　在開關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，漏感將產生電磁輻射干擾，另外，功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場；電感線圈中流過脈動電流會產生電磁場輻射，而且在負載突切時，會形成電壓尖峰，同時，當它工作在飽和狀態(tài)時，將會產生電流突變，這些都會引起電磁干擾。

　　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，如振蕩器產生的高頻脈沖信號等將產生高頻高次諧波，對周圍電路產生電磁干擾。

　　l.5 其他電磁干擾

　　電路中還會有地環(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，不合理的布線將使電磁干擾通過線線之間的耦合電容和分布互感串擾或輻射到鄰近導線上，從而影響其它電路的正常工作。還有熱輻射產生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進行熱交換，這種電磁干擾會影響其它電子元器件或電路的正常穩(wěn)定工作。

　　2 外界的電磁干擾

　　對于某一電子設備，外界對其產生影響的電磁干擾包括電網(wǎng)中的諧波干擾、雷電、太陽噪聲、靜電放電以及周圍的高頻發(fā)射設備。

　　3 開關電源的電磁兼容設計

　　進行開關電源的電磁兼容性設汁時，首先要明確系統(tǒng)需要滿足的電磁兼容標準；確定系統(tǒng)內的關鍵電路，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，開關電源的電磁兼容設計主要從以下3個方面入手：

　　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，討論開關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，F(xiàn)V1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要短，最好直接安裝在金屬外殼上，還要保證其輸入、輸出線之間的屏蔽隔離，才能有效地切斷傳導干擾沿輸入線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，還須增加如圖2所示的D1和R1，形成續(xù)流回路，吸收L1斷開時釋放的電場能量，否則，L1產生的電壓尖峰就會形成電磁干擾，電感L1所使用的磁芯最好為閉合磁芯，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場會形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小在輸入導線周圍形成的電磁場。

　　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等開關器件，在V2、V3開通和關斷時，由于開關時間很短以及引線電感、變壓器漏感的存在，回路會產生較高的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，減小a—b、c—d、g—h、e—f的引線電感。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電感量、同路中電流值以及允許的過沖電壓值的大小，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為過沖電壓值)。

　　為減小△V，就必須減小回路引線電感值，為此，在設計時常使用一種叫“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關動作是產生電磁噪聲的根本，因此，盡可能選用產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生電磁噪聲要小，全橋電路比半橋電路產生電磁噪聲要小。另外，使用ZCS或ZVS軟開關變換技術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關管上的電流、電壓波形與沒有緩沖回路時的波形比較，可見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(xù)流二極管，由于D6、D7，工作于高頻開關狀態(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，用于吸收其開關時產生的電壓尖峰。

　　減少整流二極管的數(shù)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生的電磁干擾要小。

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　　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、反向恢復時間短的二極管。從理論上講，肖特基勢壘二極管(SBD)是多數(shù)載流子導流，不存在少子的存儲與復合效應，因而也就不會有反向電壓尖峰干擾，但實際上對于具有較高反向工作電壓的肖特基二極管，隨著電子勢壘厚度的增加，反向恢復電流會增大，也會產生電磁噪聲。因此，在輸出電壓較低的情況下選用肖特基二極管產生的電磁干擾會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向輸出負載端傳播，減小電磁干擾在導線周圍的電磁輻射。

　　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，從而減小通過輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C17、C18應盡量采用多個電容并聯(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最好使用不開氣隙的閉環(huán)磁芯，最好不是飽和電感。在設計時要記住，導線上有電流、電壓的變化，在導線周圍就有變化的電磁場，電磁場就會沿空間傳播形成電磁輻射。

　　C19用于濾除導線上的共模干擾，盡量選用低感電容，且接線要短。C20、C21、C22、C23用于濾除輸出線上的差模干擾，宜選用低感的三端電容，且接地線要短，接地可靠。

　　Z3為直流EMI濾波器，根據(jù)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、輸出線最好能屏蔽隔離。

　　3.6 接觸器、繼電器、風機的電磁兼容設計

　　繼電器、接觸器、風機等在失電后，其線圈將產生較大的電壓尖峰，從而產生電磁干擾，為此，在直流線圈兩端反并聯(lián)一個二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個壓敏電阻用于吸收線圈失電后產生的電壓尖峰。如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸人電源為同一個電源時，之間最好通過一個EMI濾波器。繼電器觸頭動作時也將產生電磁干擾，因此，也要在觸頭兩端增加RC吸收電路。

　　3.7 開關電源箱體結構的電磁兼容設計

　　1)材料選擇在進行開關電源的箱體結構設計時，對于屏蔽材料的選擇原則是，當干擾電磁場的頻率較高時，選用高電導率的金屬材料，屏蔽效果較好；當干擾電磁場的頻率較低時，選用高磁導率的金屬材料，屏蔽效果較好；在某些場合下，如果要求對高頻和低頻電磁場都具有良好的屏蔽效果時，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無縫隙、無孔洞、無透人的導電連續(xù)體，低阻抗的金屬密封體，但是，開關電源需要有輸入、輸出線過孔、散熱通風孔等，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，在設計開關電源箱體時，金屬板之間的搭接最好采用焊接，無法焊接時要使用電磁密封墊或其它的屏蔽材料；箱體上的開孔孔徑要小于被屏蔽的電磁波波長的1／2，否則屏蔽效果將大大降低；對于通風孔，在屏蔽要求不高時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，又要求通風效果好時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法滿足要求時，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開關電源整個箱體的屏蔽之外，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行局部屏蔽。

　　3)其他在進行箱體結構設計時，針對設備上所有會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，并且要保證接地線的載流能力，同時，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 元器件布局與布線中的電磁兼容設計

　　對于開關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通過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，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的屏蔽隔離。

　　敏感電路或元器件要遠離發(fā)熱源。

　　對于開關電源產品，一般須遵守以下布線原則。

　　1)主電路輸入線與輸出線分開走線。

　　2)EMI濾波器輸入線與輸出線分開走線。

　　3)主電路線與控制信號線分開走線。

　　4)高壓脈沖信號線最好分開單獨走線。

　　5)分開布線要避免平行走線，可以垂直交叉，線束之間距離在20mm以上。

　　6)電纜不要貼著金屬外殼和散熱器走線，保證一定距離。

　　7)雙絞線、同軸電纜及帶狀電纜在EMC設計中的使用。

　　(1)雙絞線、同軸電纜都能有效地抑制電磁干擾在脈沖信號傳輸線路中常使用雙絞線，控制輔助電源線和傳感器信號線最好用雙絞屏蔽線。因為雙絞線兩根線之間有很小的回路面積，而且雙絞線的每兩個相鄰的回路上感應出的電流具有大小相等、方向相反，產生的磁場相互抵消，這樣就可以減小因輻射引起的差模干擾，不過雙絞線絞合的圈數(shù)最好為偶數(shù)，且每單位波長所絞合的圈數(shù)愈多，消除耦合的效果愈好。使用時注意雙絞線和同軸電纜兩端不能同時接地，只能單端接地，而對屏蔽線，屏蔽層兩端接地能既能屏蔽電場還能屏蔽磁場，單端接地只能屏蔽電場。使用同軸電纜時還要注意，其屏蔽層必須完全包覆信號線接地，即接頭與電纜屏蔽層必須360。搭接，才能有效屏蔽電磁場，如圖8所示，信號線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，必須減小信號線和信號回流線所形成的回路面積，因此，在設計帶狀電纜布局時，最好將信號線與接地線間隔排列。如圖9所示，其中S為信號線，G為信號地線。

　　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，熱傳導也會向周圍其它元器件傳導熱量，這些都會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，一般開關電源要求內部元器件溫度小于90℃，內部環(huán)境溫度不超過65℃，以減4、熱輻射干擾。

　　對數(shù)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)電感低的陶瓷介質電容器、高頻無感電容器、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，接地的方式有單點接地、多點接地和混合接地。

　　1)地環(huán)路干擾常發(fā)生在通過較長電纜連接，地相距較遠的設備之問。原因是由于地環(huán)路電流的存在，使兩個設備的地電位不同。通常用光電耦合器或隔離變壓器進行“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lMHz時多采用光電耦合器隔離。

　　2)公共阻抗耦合當兩個電路的地電流流過一個公共阻抗時，就會發(fā)生公共阻抗耦合。由于地線是信號回流線，一個電路的工作狀態(tài)必然會影響地線電壓，當兩個電路共用一段地線時，地線的電壓就會同時受到兩個電路工作狀態(tài)的影響。

　　可見無論是地環(huán)路干擾還是公共阻抗耦合問題都是由于地線阻抗引起的，因此，在設計時一定要考慮盡量降低地線阻抗與感抗。

　　3)減小控制電源噪聲 電源線上有電流突變，就會產生噪聲電壓。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，則采用多個同容量的高頻電容和無感電容并聯(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(jù)其諧振頻率、提供脈沖電流頻率來選擇。

　　4)印制板的合理布線印制板合理地布置地線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)布置地線網(wǎng)絡，即在雙面板的兩面布置最多的平行地線。

　　(2)對于一些關鍵信號(如脈沖信號和對外界較敏感的電平信號)的地線的布置必須盡量縮小引線長度，減小信號的回流面積，如果是雙面板，地線和信號線可以在印制板兩面并聯(lián)平行走線。

　　(3)若是多層線路板，且既有數(shù)字地又有模擬地，則數(shù)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)在實際電路中常發(fā)生公共阻抗耦合，因此，要根據(jù)實際情況選擇正確的接地方式。

　　3.1l 其他方法

　　1)給IGBT、MOSFET等開關器件的驅動信號增加一個-5V~-1OV的負電平，可提高驅動信號的抗干擾能力，或驅動信號采用光纖傳輸，光纖適宜于遠距離傳輸，具有抗干擾能力強的特點。

　　2)為了防止電平信號中的毛刺，引起軟件的誤判斷及誤動作，可以通過多次采樣等數(shù)字濾波技術來濾除干擾信號。

　　4 結語

　　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品的電磁兼容設計具有一定的參考價值。