DC-DC轉(zhuǎn)換器的電磁兼容技術(shù)

　　摘要：本文簡(jiǎn)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(duì)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?chē)碾娮釉O(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?chē)姶怒h(huán)境中，對(duì)周?chē)碾姶鸥蓴_也很敏感(ems)，如果沒(méi)有很好的抗電磁干擾能力，它也就不可能正常工作。因此，營(yíng)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(lái)了一系列高頻emi的問(wèn)題，產(chǎn)生的干擾對(duì)電源本身和周?chē)娮迎h(huán)境帶來(lái)很大的影響。為滿足日趨嚴(yán)格的國(guó)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(wèn)題之一。

　　dc-dc轉(zhuǎn)換器的emc問(wèn)題主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)： dc-dc轉(zhuǎn)換器作為工作于開(kāi)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(kāi)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(hào)(cm)和差模干擾信號(hào)(dm)的分布圖如圖1所示。這是分析干擾信號(hào)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(lèi)型的傳導(dǎo)干擾信號(hào)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(hào)和差模干擾信號(hào)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(guò)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(guò)某一區(qū)域;二是防止外來(lái)的輻射進(jìn)入某一區(qū)域。屏蔽是解決dc-dc轉(zhuǎn)換器emc問(wèn)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(lái)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(kāi)關(guān)技術(shù)

　　應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)與零電流開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷過(guò)程，從而降低dc-dc 轉(zhuǎn)換器的emi水平。對(duì)于相同型號(hào)的開(kāi)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(lái)決定。

　　例如中轉(zhuǎn)換器a采用無(wú)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷的dv/dt要比開(kāi)通時(shí)小很多，對(duì)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(kāi)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(kāi)關(guān)管開(kāi)通速度要比轉(zhuǎn)換器a慢很多，轉(zhuǎn)換器b開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)vds的 dv/dt 為2v/ns左右，而轉(zhuǎn)換器a開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)vds的dv/dt為5v/ns左右，要大很多?？梢?jiàn)增加適當(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(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)緩沖電阻大小對(duì)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(duì)輻射發(fā)射的影響

　　因此得出結(jié)論是，單靠提高開(kāi)關(guān)速度來(lái)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(lái)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(wú)衰減或很少衰減地通過(guò)。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(duì)emi信號(hào)的損耗叫插入損耗。顯然，測(cè)量濾波器的插入損耗曲-頻率線，可檢驗(yàn)它對(duì)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：