1、隔离式 DCDC 变换器的电磁兼容设计摘要：详细分析了隔离式 DCDC 变换器产生电磁噪声干扰的机理，介绍了在 DCDC 变换器主电路及控制电路设计时所采取的电磁兼容措施。关键词：隔离式 DC DC 变换器；电磁干扰分析；电磁兼容设计 0 引言随着电力电子技术的发展，开关电源模块以其相对体积小、效率高、工作可靠等优点而逐渐取代传统整流电源。但是，由于开关电源工作频率高，内部会产生很高的电流、电压变化率(即高 dvdt和 didf)，导致开关电源模块产生较强的电磁干扰，并通过传导、辐射和串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统的正常工作，当然其本身也会受到其它电子设备电磁干扰的影响，电磁干扰将造
2、成传输信号畸变，影响电子设备的止常工作。对于雷电、静电放电等高能量的电磁下扰，严重时会损坏电子设备。而对于某些电子设备，电磁辐射会引起重要信息的泄漏，严重时会威胁国家信息安全。这就是我们所讨论的电磁兼容性问题。另外，国家开始对部 分电子产品强制实行 3C 认证，因此，一个电子设备能否满足电磁兼容标准，将关系到这一产品能否在市场上销售，所以，进行开关电源的电磁兼容性研究显得非常重要。1 内部噪声干扰源分析l.l 二极管厦向恢复引起的噪声干扰在开关电源中常使用工频整流二极管、高频整流二极管、续流二极管等，由于这些二极管都工作在开关状态，如图 l 所示，在二极管由阻断状态到导通的转换过程中，将产生一
3、个很高的电压尖峰 UFP;在二极管由导通状态到阻断的转换过程中，存在一个反向恢复时间 trr 在反向恢复过程中，由于二极管封装电感及引线电感的存在，将产生一个反向电压尖峰 URP 由于少子的存储与复合效应，会产生瞬变的反向恢复电流尖峰 IRP,这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根源。1.2 开关管开关时产生的电磁干扰在正激式、推挽式、桥式变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波，含有丰富的高频成分，这些高频谐波会产生很强的电磁干扰。在反激变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似三角波，高次谐波成分相对较少。开关管在开通时，由于开通时间很短以及逆变回路中引线电感的存在，将
4、产生很大的 dvdt 和很高的尖峰电压，在开关管关断时，由于关断时间很短，将产生很大的 didt 和很高的电流尖峰，这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰。1.3 电感、变压器等磁性元件引起的电磁干扰在开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件，隔离变压器初次级之间存在寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容耦合到次级；功率变压器由于绕制工艺等原因，原、次级耦合不理想而存在漏感，漏感将产生电磁辐射干扰，另外，功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流，在周围形成高频电磁场；电感线圈中流过脉动电流会产生电磁场辐射，而且在负载突切时，会形成电压尖峰，同时，当它工作在饱和状态时，将
5、会产生电流突变，这些都会引起电磁干扰。l.4 控制电路引起的电磁干扰控制电路中周期性的高频脉冲信号，如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波，对周围电路产生电磁干扰。l.5 其他电磁干扰电路中还会有地环路干扰、公共阻抗耦合干扰，以及控制电源噪声干扰等。另外，不合理的布线将使电磁干扰通过线线之间的耦合电容和分布互感串扰或辐射到邻近导线上，从而影响其它电路的正常工作。还有热辐射产生的电磁干扰，热辐射是以电磁波的形式进行热交换，这种电磁干扰会影响其它电子元器件或电路的正常稳定工作。2 外界的电磁干扰对于某一电子设备，外界对其产生影响的电磁干扰包括电网中的谐波干扰、雷电、太阳噪声、静电放电以及周
6、围的高频发射设备。3 开关电源的电磁兼容设计进行开关电源的电磁兼容性设汁时，首先要明确系统需要满足的电磁兼容标准；确定系统内的关键电路，包括强干扰源电路、高度敏感电路；明确电源设备工作环境中的电磁于扰源及敏感设备；然后确定对电源设备所要采取的电磁兼容性措施。因此，开关电源的电磁兼容设计主要从以下 3 个方面入手：1)减小干扰源的电磁干扰能量；2)切断干扰传播途径；3)提高受扰设备的抗干扰能力。下面以隔离式 DCDC 变换器为例，讨论开关电源的电磁兼容性设计。3.1 DCDC 变换器输入电路的电磁兼容设计如图 2 所示，FV1 为瞬态电压抑制二极管 RV1 为压敏电阻，都具有很强的瞬变浪涌吸收能
7、力，能很好地保护后级元器件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1 为直流 EMI 滤波器，必须良好接地接地线要短，最好直接安装在金属外壳上，还要保证其输入、输出线之间的屏蔽隔离，才能有效地切断传导干扰沿输入线的传播和辐射干扰沿空间的传播。L1 及 C1 组成低通滤波电路，当 L1 电感值鞍大时，还须增加如图 2 所示的 D1 和 R1，形成续流回路，吸收 L1 断开时释放的电场能量，否则，L1 产生的电压尖峰就会形成电磁干扰，电感 L1 所使用的磁芯最好为闭合磁芯，带气隙的开环磁芯的漏磁场会形成电磁干扰，C1 的容量较大为好，这样可以减小输入线上的纹波电压，从而减小在输入导线周围形成的电磁场。3.2
8、高频逆变电路的电磁兼容设计如图 3 所示，C2 、C3、V2、V3 组成的半桥逆变电路，V2 、V3为 lGBT 或 M0SFET 等开关器件，在 V2、V3 开通和关断时，由于开关时间很短以及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的 didt、dvdt ，从而形成电磁干扰，为此，在变压器原边两端增加 R4、C4 构成的吸收回路，或在 V2、 V3 两端分别并联电容器C5、C6，并缩短引线，减小 ab、cd、gh 、ef 的引线电感。在设计中，G4C5、 C6。一般采用低感电容，电容器容量的大小取决于引线电感量、同路中电流值以及允许的过冲电压值的大小，由 LI22=C V22 求得 C 的
9、大小(L 为回路电感，I 为回路电流，V 为过冲电压值)。为减小V ，就必须减小回路引线电感值，为此，在设计时常使用一种叫“多层低感复合母排”的装置，由我集团公司申请专利的该种母排装置能将回路电感降低到足够小，达 lOnH 级，从而达到减小高频逆变回路电磁干扰的目的。在大电流或高电压下的快速开关动作是产生电磁噪声的根本，因此，尽可能选用产生电磁噪声小的电路拓扑，如在同等条件下双管正激拓扑比单管正激拓扑产生电磁噪声要小，全桥电路比半桥电路产生电磁噪声要小。另外，使用 ZCS 或 ZVS 软开关变换技术能有效降低高频逆变回路的电磁干扰。图 4 所示为增加缓冲电路后开关管上的电流、电压波形与没有缓冲
10、回路时的波形比较，可见增加缓冲电路后电流电压变化率降低很多。由于变压器是一个发热元件，较差的散热条件必然导致变压器温度升高，从而形成热辐射，因此，变压器必须有很好的散热条件。通常将高频变压器封装在一个铝壳盒内，并灌注电子硅胶，铝盒还可安装在铝散热器上，这样变压器即可形成较好的电磁屏蔽，还可保证有较好的散热效果减小串磁辐射。3.4 输出整流电路的电磁兼容设计图 6 所示为半波整流电路， D6 为整流二极管，D7 为续流二极管，由于 D6、 D7，工作于高频开关状态，因此，输出整流电路的电磁干扰源主要是 D6 和 D7把 R5、G12 和 R6、C13 分别连接成 D6、D7，的吸收电路，用于吸收其开关时产生的电压尖峰。减少整流二极管的数量可减小电磁干扰的能量，因此，在同等条件下，采用半波整流比采用全波整流和全桥整流产生的电磁干扰要小。为减小二极管的电磁干扰，必须选用具有软恢复特性的、反向恢复电流小的、反向恢复时间短的二极管。从理论上讲，肖特基势垒二极管(SBD)是多数载流子导流，不存在少子的存储与复合效应，因而也就不会有反向电压尖峰干扰，但实际上对于具有较高反向工作电压的肖特基二极管，随着电子势垒厚度的增加，反向恢复电流会增大，也会产生电磁噪声。因此，在输出电压较低的情况下选用
