DC-DC轉換器的電磁兼容技術

時間：2006-04-12 05:14:00

關鍵字：電磁兼容技術 DC-DC轉換器 BSP 驅動電路

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[導讀]本文簡單分析了DC-DC轉換器的電磁干擾（EMI）產(chǎn)生的機理，并對DC-DC轉換器的EMC設計進行了有側重的探討和總結。

引言

DC-DC轉換器是通信系統(tǒng)的動力之源，已在通信領域中達到廣泛應用。由于具有高頻率、寬頻帶和大功率密度，它自身就是一個強大的電磁干擾（EMI）源，嚴重時會導致周圍的電子設備功能紊亂，使通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)錯誤、出現(xiàn)異常的停機和報警等，造成不可彌補的后果；同時，DC-DC轉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，是確保電子設備正常工作的前提，且也成為電子產(chǎn)品設計者的重要考慮因素。

DC-DC轉換器EMC特點

DC-DC轉換器具有體積小、功率密度大、工作頻率高等特點，這些特點直接導致電源內(nèi)部電磁環(huán)境復雜，同時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。為滿足日趨嚴格的國際電磁兼容法規(guī)，DC-DC轉換器的EMC設計已經(jīng)成為電源設計中的首要問題之一。

DC-DC轉換器的EMC問題主要有如下幾個特點： DC-DC轉換器作為工作于開關狀態(tài)的能量轉換裝置，產(chǎn)生的干擾強度較大；干擾源主要集中在功率開關器件以及與之相連的鋁基板和高頻變壓器；由于DC-DC轉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。如果設備在某段頻率范圍內(nèi)有傳導干擾電平超標，查閱該圖可得出是哪一種類型的傳導干擾信號占主導地位，從而指導改變EMI濾波器的網(wǎng)絡結構及參數(shù)等相應措施加以解決。

圖1 DC-DC轉換器的共模干擾信號和差模干擾信號分布圖

DC-DC轉換器的EMC設計

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：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入某一區(qū)域。屏蔽是解決DC-DC轉換器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轉換器的機殼密封性屏蔽。接地的要點是電位相同、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。

軟開關技術

應用軟開關技術，實現(xiàn)零電壓開關與零電流開關運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通和零電流下關斷，若同時快速二極管也采用軟關斷，則可以大幅度降低DC-DC 轉換器的EMI水平。

優(yōu)化緩沖電路

在開關管的驅動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器件的導通、關斷過程，從而降低DC-DC 轉換器的EMI水平。對于相同型號的開關管，在其他條件相同只是驅動緩沖電路不同的情況下由試驗來決定。

例如中轉換器A采用無驅動緩沖電阻的驅動電路；轉換器B則采用了150Ω驅動緩沖電阻反并聯(lián)二極管的驅動電路。通常開關管關斷的dv/dt要比開通時小很多，對DC-DC 轉換器的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，而關斷速度不受影響，可以最大限度地保證原有的整機效率不受影響。

實驗證明轉換器B中開關管開通速度要比轉換器A慢很多，轉換器B開關管開通時VDS的 dv/dt 為2V/nS左右，而轉換器A開關管開通時VDS的dv/dt為5V/nS左右，要大很多?？梢娫黾舆m當?shù)尿寗与娮璨?yōu)化驅動電路，可以顯著的減小電路中的di/dt和dv/dt，降低電源DC-DC 轉換器的EMI水平。

EMI輻射發(fā)射試驗進一步驗證開關管驅動緩沖電阻大小對整個DC-DC轉換器EMI水平的影響。圖2為轉換器B采用非夾繞變壓器時，當驅動電阻取值為1Ω和47Ω（反向并聯(lián)有二極管）時的輻射干擾?？梢钥闯鲈龃篁寗与娮韬?，30MHz和接近200MHz的頻點各有3_5dB的明顯改善。

驅動電阻為1Ω（水平方向）

驅動電阻為47Ω（水平方向）

圖2 驅動電阻對輻射發(fā)射的影響

因此得出結論是，單靠提高開關速度來提高DC-DC轉換器效率是不可取的。于是，如何選擇合適的驅動電路參數(shù)、不斷地優(yōu)化驅動電路的設計，在提高DC-DC轉換器的EMC性能的同時又保證總效率等其他參數(shù)指標不受到大的影響，是近年來發(fā)展的一個新方向。例如，在驅動電路中保留驅動電阻的同時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)控制開和關的速度，再權衡EMC性能和總效率指標的關系，以達到最理想的效果。如圖3所示。

圖3 有驅動緩沖電阻、開關速度均可以控制的驅動電路

濾波技術

DC-DC轉換器的EMI濾波器是由電感、電容等構成的無源雙向多端口網(wǎng)絡。實際上它起兩個低通濾波器的作用，一個衰減共模干擾，另一個衰減差模干擾。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轉換器設計工程師控制傳導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，可檢驗它對EMI的濾波效果。

DC-DC轉換器的EMC濾波電路應該滿足以下設計原則：

·雙向濾波。

DC-DC轉換器的EMI濾波器實質上是一種雙向低通濾波器，既要抑制DC-DC轉換器產(chǎn)生的從轉換器傳入電源（或電網(wǎng)）的EMI信號，防止它污染電磁環(huán)境、危害其他設備。又要抑制或消除電源（或電網(wǎng)）存在的從電源（或電網(wǎng)）傳入轉換器的EMI信號，保護DC-DC轉換器正常工作；

·阻抗失配。

源內(nèi)阻是高阻(低阻)的，則濾波器輸入阻抗就應該是低阻(高阻)的；負載是高阻(低阻)的，則濾波器輸出阻抗就應該是低阻(高阻)的；這里的阻抗失配是相對要抑制的干擾頻率而言，對正常工作的信號頻率應該阻抗匹配。

·CM和DM同時抑制。

由于DC-DC轉換器的工作頻率基本都在幾百KHz，根據(jù)以往各型號產(chǎn)品的EMC檢測試驗經(jīng)驗，一般情況下DC-DC轉換器的EMI超標頻段都會覆蓋0.1_1MHz頻段的一部分或全部范圍。根據(jù)圖1所示的分布原理，我們通常要采取有重點地對CM和DM同時抑制的原則。

印制電路板的EMC設計

由于PCB更改與相應的傳導、輻射騷擾的測試較為復雜，且在時間和成本上也存在困難，因此進行專門的PCB對EMC影響的試驗較為困難，這里只能根據(jù)一般原理以及多年從事電源設計所積累的經(jīng)驗給出DC-DC轉換器PCB設計時需要注意的地方（主要針對降低DC-DC轉換器對外的EMI）。

·設計PCB時首先考慮好布局，特別是變壓器和輸出濾波電感的合理放置。強脈沖信號線（dv/dt大）的走線要盡量短，它們是典型的發(fā)射天線；導線不要突然拐角。

·合理放置原邊開關管、輸入濾波電容、濾波電感，使得濾波電容、變壓器原邊繞組、開關管構成的回路面積盡量減小，DC-DC轉換器中專門有完整地層，其余信號線、功率線均在其它層上走線，使環(huán)路面積最?。缓侠頂[放副邊整流濾波電路。

·開關管和整流管上如有較強高頻尖刺，應當就近布置吸收電路。

·注意控制電路和功率電路的單點接地，同時在靠近脈沖電路負載的部位如PWM芯片VCC引腳添加去耦電容。

·所有的功率器件，當與散熱器絕緣連接時，其管芯均與散熱器間存在分布電容，適當?shù)姆蛛x不同級間的散熱器連接方式，可以有效的減小兩級電路間的容性耦合，減小電磁干擾，多層板式結構優(yōu)于鋁基板式結構就是這個原因。

實踐證明，上述印制電路板EMC設計，對開關DC-DC轉換器的EMC性能有較大的影響。在印制板設計階段，工程技術人員由于缺乏有效的手段，往往只能采用試探方法，一旦開關DC-DC轉換器不能通過有關EMC標準，就需要重新設計印制板。往往為此付出沉重的代價。

結語

本文對DC-DC轉換器的EMC設計進行了簡單的歸納和分析，從五個方面討論了DC-DC轉換器的EMC設計問題。DC-DC轉換器EMC設計的關鍵是要弄清楚轉換器中EMI產(chǎn)生的機理，有針對性地進行抑制和消除。