隔離式DC/DC 變換器的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(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(tǒng)整流電源。但是，由于開關(guān)電源工作頻率高，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很高的電流、電壓變化率(即高dv／dt和di／df)，導(dǎo)致開關(guān)電源模塊產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，并通過傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_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(dāng)然其本身也會(huì)受到其它電子設(shè)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(shè)備的止常工作。對于雷電、靜電放電等高能量的電磁下擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞電子設(shè)備。而對于某些電子設(shè)備，電磁輻射會(huì)引起重要信息的泄漏，嚴(yán)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題。另外，國家開始對部分電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行3C認(rèn)證，因此，一個(gè)電子設(shè)備能否滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場上銷售，所以，進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。

　　1 內(nèi)部噪聲干擾源分析

　　l.l 二極管廈向恢復(fù)引起的噪聲干擾

　　在開關(guān)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(guān)狀態(tài)，如圖l所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)換過程中，將產(chǎn)生一個(gè)很高的電壓尖峰UFP;在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷的轉(zhuǎn)換過程中，存在一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間trr在反向恢復(fù)過程中，由于二極管封裝電感及引線電感的存在，將產(chǎn)生一個(gè)反向電壓尖峰URP由于少子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)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 開關(guān)管開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾

　　在正激式、推挽式、橋式變換器中，流過開關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)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(qiáng)的電磁干擾。在反激變換器中，流過開關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時(shí)近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關(guān)管在開通時(shí)，由于開通時(shí)間很短以及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生很大的dv／dt和很高的尖峰電壓，在開關(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(qiáng)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(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(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生電磁場輻射，而且在負(fù)載突切時(shí)，會(huì)形成電壓尖峰，同時(shí)，當(dāng)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，對周圍電路產(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，不合理的布線將使電磁干擾通過線線之間的耦合電容和分布互感串?dāng)_或輻射到鄰近導(dǎo)線上，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(wěn)定工作。

　　2 外界的電磁干擾

　　對于某一電子設(shè)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、太陽噪聲、靜電放電以及周圍的高頻發(fā)射設(shè)備。

　　3 開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)汁時(shí)，首先要明確系統(tǒng)需要滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路，包括強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路；明確電源設(shè)備工作環(huán)境中的電磁于擾源及敏感設(shè)備；然后確定對電源設(shè)備所要采取的電磁兼容性措施。因此，開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)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(shè)備的抗干擾能力。

　　下面以隔離式DC／DC變換器為例，討論開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

　　3.1 DC／DC變換器輸入電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　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(qiáng)的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護(hù)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(dǎo)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(dāng)L1電感值鞍大時(shí)，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(shí)釋放的電場能量，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，帶氣隙的開環(huán)磁芯的漏磁場會(huì)形成電磁干擾，C1的容量較大為好，這樣可以減小輸入線上的紋波電壓，從而減小在輸入導(dǎo)線周圍形成的電磁場。

　　3.2 高頻逆變電路的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　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(guān)器件，在V2、V3開通和關(guān)斷時(shí)，由于開關(guān)時(shí)間很短以及引線電感、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(gòu)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)常使用一種叫“多層低感復(fù)合母排”的裝置，由我集團(tuán)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(dá)lOnH級，從而達(dá)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(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?fù)?，如在同等條件下雙管正激拓?fù)浔葐喂苷ね負(fù)洚a(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關(guān)管上的電流、電壓波形與沒有緩沖回路時(shí)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(gè)發(fā)熱元件，較差的散熱條件必然導(dǎo)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(nèi)，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(shè)計(jì)

　　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(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，用于吸收其開關(guān)時(shí)產(chǎn)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(chǎn)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(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小的、反向恢復(fù)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(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，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，隨著電子勢壘厚度的增加，反向恢復(fù)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(shè)計(jì)

　　輸出直流濾波電路主要用于切斷電磁傳導(dǎo)干擾沿導(dǎo)線向輸出負(fù)載端傳播，減小電磁干擾在導(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)要記住，導(dǎo)線上有電流、電壓的變化，在導(dǎo)線周圍就有變化的電磁場，電磁場就會(huì)沿空間傳播形成電磁輻射。

　　C19用于濾除導(dǎo)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(jī)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(fēng)機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　繼電器、接觸器、風(fēng)機(jī)等在失電后，其線圈將產(chǎn)生較大的電壓尖峰，從而產(chǎn)生電磁干擾，為此，在直流線圈兩端反并聯(lián)一個(gè)二極管或RC吸收電路，在交流線圈兩端并聯(lián)一個(gè)壓敏電阻用于吸收線圈失電后產(chǎn)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(gè)電源時(shí)，之間最好通過一個(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 開關(guān)電源箱體結(jié)構(gòu)的電磁兼容設(shè)計(jì)

　　1)材料選擇在進(jìn)行開關(guān)電源的箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對于屏蔽材料的選擇原則是，當(dāng)干擾電磁場的頻率較高時(shí)，選用高電導(dǎo)率的金屬材料，屏蔽效果較好；當(dāng)干擾電磁場的頻率較低時(shí)，選用高磁導(dǎo)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(shí)，往往采用高電導(dǎo)率和高磁導(dǎo)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(shè)計(jì)電路，便可達(dá)到很好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽體是一個(gè)無縫隙、無孔洞、無透人的導(dǎo)電連續(xù)體，低阻抗的金屬密封體，但是，開關(guān)電源需要有輸入、輸出線過孔、散熱通風(fēng)孔等，以及箱體結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(shè)計(jì)開關(guān)電源箱體時(shí)，金屬板之間的搭接最好采用焊接，無法焊接時(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(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(dǎo)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(shí)，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了對開關(guān)電源整個(gè)箱體的屏蔽之外，還可以對電源設(shè)備內(nèi)部的元器件、部件等干擾源或敏感設(shè)備進(jìn)行局部屏蔽。

　　3)其他在進(jìn)行箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，針對設(shè)備上所有會(huì)受到靜電放電影響的部分，須設(shè)計(jì)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(shí)，將敏感電路或元器件布置得遠(yuǎn)離這些泄放回路，或?qū)ζ洳捎秒妶銎帘未胧?。對于結(jié)構(gòu)件的表面處理，一般需要電鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫等，具體要從導(dǎo)電性能、電化學(xué)反應(yīng)、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(shè)計(jì)

　　對于開關(guān)電源設(shè)備內(nèi)部元器件的布局必須整體考慮電磁兼容性的要求，設(shè)備內(nèi)部的干擾源會(huì)通過輻射和串?dāng)_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(jī)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(yuǎn)離發(fā)熱源。

　　對于開關(guān)電源產(chǎn)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(dú)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(shè)計(jì)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?yàn)殡p絞線兩根線之間有很小的回路面積，而且雙絞線的每兩個(gè)相鄰的回路上感應(yīng)出的電流具有大小相等、方向相反，產(chǎn)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(shí)注意雙絞線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，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(shí)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(shè)計(jì)帶狀電纜布局時(shí)，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(dǎo)、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(dǎo)也會(huì)向周圍其它元器件傳導(dǎo)熱量，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(shè)計(jì)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(guān)電源要求內(nèi)部元器件溫度小于90℃，內(nèi)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(yīng)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(shè)計(jì)

　　信號地是指信號電流流回信號源的一條低阻抗路徑。在設(shè)計(jì)中往往由于接地方法不恰當(dāng)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)生在通過較長電纜連接，地相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之問。原因是由于地環(huán)路電流的存在，使兩個(gè)設(shè)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lMHz時(shí)多采用光電耦合器隔離。

　　2)公共阻抗耦合當(dāng)兩個(gè)電路的地電流流過一個(gè)公共阻抗時(shí)，就會(huì)發(fā)生公共阻抗耦合。由于地線是信號回流線，一個(gè)電路的工作狀態(tài)必然會(huì)影響地線電壓，當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，地線的電壓就會(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(shè)計(jì)時(shí)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(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(fù)載，則采用多個(gè)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(luò)，即在雙面板的兩面布置最多的平行地線。

　　(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(shí)際電路中常發(fā)生公共阻抗耦合，因此，要根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的接地方式。

　　3.1l 其他方法

　　1)給IGBT、MOSFET等開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號增加一個(gè)-5V~-1OV的負(fù)電平，可提高驅(qū)動(dòng)信號的抗干擾能力，或驅(qū)動(dòng)信號采用光纖傳輸，光纖適宜于遠(yuǎn)距離傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)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，可以通過多次采樣等數(shù)字濾波技術(shù)來濾除干擾信號。

　　4 結(jié)語

　　本文詳細(xì)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(jī)理，并詳細(xì)介紹了針對其主電路和控制電路的電磁兼容設(shè)計(jì)方法，這些方法對其它電子產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。