DC-DC電源模塊的電磁兼容技術(shù)

引言

DC-DC電源模塊是通信系統(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)致周圍的電子設(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電源模塊本身也置身于周圍電磁環(huán)境中，對(duì)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(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電源模塊EMC特點(diǎn)

DC-DC電源模塊具有體積小、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)也帶來了一系列高頻EMI的問題，產(chǎn)生的干擾對(duì)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(yán)格的國際電磁兼容法規(guī)，DC-DC電源模塊的EMC設(shè)計(jì)已經(jīng)成為電源設(shè)計(jì)中的首要問題之一。

DC-DC電源模塊的EMC問題主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)： DC-DC電源模塊作為工作于開關(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關(guān)器件以及與之相連的鋁基板和高頻變壓器;由于DC-DC電源模塊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電源模塊的共模干擾信號(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。

DC-DC電源模塊的EMC設(shè)計(jì)

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(gè)：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(jìn)入某一區(qū)域。屏蔽是解決DC-DC電源模塊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電源模塊的機(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。

軟開關(guān)技術(shù)

應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)與零電流開關(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關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷過程，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)來決定。

例如中轉(zhuǎn)換器A采用無驅(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。通常開關(guān)管關(guān)斷的dv/dt要比開通時(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中開關(guān)管開通速度要比轉(zhuǎn)換器A慢很多，轉(zhuǎn)換器B開關(guān)管開通時(shí)VDS的 dv/dt 為2V/nS左右，而轉(zhuǎn)換器A開關(guān)管開通時(shí)VDS的dv/dt為5V/nS左右，要大很多?？梢娫黾舆m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)證開關(guān)管驅(qū)動(dòng)緩沖電阻大小對(duì)整個(gè)DC-DC電源模塊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。可以看出增大驅(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)

因此得出結(jié)論是，單靠提高開關(guān)速度來提高DC-DC電源模塊效率是不可取的。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電源模塊的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。

濾波技術(shù)

DC-DC電源模塊的EMI濾波器是由電感、電容等構(gòu)成的無源雙向多端口網(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衰減或很少衰減地通過。EMI濾波器是DC-DC電源模塊設(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電源模塊的EMC濾波電路應(yīng)該滿足以下設(shè)計(jì)原則：

-雙向?yàn)V波。

DC-DC電源模塊的EMI濾波器實(shí)質(zhì)上是一種雙向低通濾波器，既要抑制DC-DC電源模塊產(chǎn)生的從轉(zhuǎn)換器傳入電源(或電網(wǎng))的EMI信號(hào)，防止它污染電磁環(huán)境、危害其他設(shè)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(zhuǎn)換器的EMI信號(hào)，保護(hù)DC-DC電源模塊正常工作;

-阻抗失配。

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

-CM和DM同時(shí)抑制。

由于DC-DC電源模塊的工作頻率基本都在幾百KHz，根據(jù)以往各型號(hào)產(chǎn)品的EMC檢測(cè)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下DC-DC電源模塊的EMI超標(biāo)頻段都會(huì)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(diǎn)地對(duì)CM和DM同時(shí)抑制的原則。

印制電路板的EMC設(shè)計(jì)

由于PCB更改與相應(yīng)的傳導(dǎo)、輻射騷擾的測(cè)試較為復(fù)雜，且在時(shí)間和成本上也存在困難，因此進(jìn)行專門的PCB對(duì)EMC影響的試驗(yàn)較為困難，這里只能根據(jù)一般原理以及多年從事電源設(shè)計(jì)所積累的經(jīng)驗(yàn)給出DC-DC電源模塊PCB設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的地方(主要針對(duì)降低DC-DC電源模塊對(duì)外的EMI)。

-設(shè)計(jì)PCB時(shí)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(qiáng)脈沖信號(hào)線(dv/dt大)的走線要盡量短，它們是典型的發(fā)射天線;導(dǎo)線不要突然拐角。

-合理放置原邊開關(guān)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(guān)管構(gòu)成的回路面積盡量減小，DC-DC電源模塊中專門有完整地層，其余信號(hào)線、功率線均在其它層上走線，使環(huán)路面積最小;合理擺放副邊整流濾波電路。

-開關(guān)管和整流管上如有較強(qiáng)高頻尖刺，應(yīng)當(dāng)就近布置吸收電路。

-注意控制電路和功率電路的單點(diǎn)接地，同時(shí)在靠近脈沖電路負(fù)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(dāng)與散熱器絕緣連接時(shí)，其管芯均與散熱器間存在分布電容，適當(dāng)?shù)姆蛛x不同級(jí)間的散熱器連接方式，可以有效的減小兩級(jí)電路間的容性耦合，減小電磁干擾，多層板式結(jié)構(gòu)優(yōu)于鋁基板式結(jié)構(gòu)就是這個(gè)原因。

實(shí)踐證明，上述印制電路板EMC設(shè)計(jì)，對(duì)開關(guān)DC-DC電源模塊的EMC性能有較大的影響。在印制板設(shè)計(jì)階段，工程技術(shù)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(guān)DC-DC電源模塊不能通過有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)，就需要重新設(shè)計(jì)印制板。往往為此付出沉重的代價(jià)。

結(jié)語

本文對(duì)DC-DC電源模塊的EMC設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的歸納和分析，從五個(gè)方面討論了DC-DC電源模塊的EMC設(shè)計(jì)問題。DC-DC電源模塊EMC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要弄清楚轉(zhuǎn)換器中EMI產(chǎn)生的機(jī)理，有針對(duì)性地進(jìn)行抑制和消除。