隔离式DC／DC变换器的电磁兼容设计

摘要：详细分析了隔离式DC／DC变换器产生电磁噪声干扰的机理，介绍了在DC／DC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dv／dt和di／df)，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，将产生很大的dv／dt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di／dt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DC／DC变换器为例，讨论开关电源的电磁兼容性设计。 3.1 DC／DC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 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di／dt、dv／dt，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a—b、c—d、g—h、e—f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LI2／2=C△V2／2求得C的大小(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肖特基二极管产生的电磁干扰会比选用其它二极管要小。 3.5 输出直流滤波电路的电磁兼容设计 输出直流滤波电路主要用于切断电磁传导干扰沿导线向输出负载端传播，减小电磁干扰在导线周围的电磁辐射。 如图7所示，L2、C7、C18组成的LC滤波电路，能减小输出电流、电压纹波的大小，从而减小通过辐射传播的电磁干扰。滤波电容C17、C18应尽量采用多个电容并联，以减小等效串联电阻，从而减小纹波电压。输出电感L2应尽量大，以减小输出纹波电流的大小，另外，电感L2最好使用不开气隙的闭环磁芯，最好不是饱和电感。在设计时要记住，导线上有电流、电压的变化，在导线周围就有变化的电磁场，电磁场就会沿空间传播形成电磁辐射。 C19用于滤除导线上的共模干扰，尽量选用低感电容，且接线要短。C20、C21、C22、C23用于滤除输出线上的差模干扰，宜选用低感的三端电容，且接地线要短，接地可靠。 Z3为直流EMI滤波器，根据情况决定使用或不使用，是采用单级还是多级，但要求Z3直接安装在金属机箱上，并且滤波器输入、输出线最好能屏蔽隔离。 3.6 接触器、继电器、风机的电磁兼容设计 继电器、接触器、风机等在失电后，其线圈将产生较大的电压尖峰，从而产生电磁干扰，为此，在直流线圈两端反并联一个二极管或RC吸收电路，在交流线圈两端并联一个压敏电阻用于吸收线圈失电后产生的电压尖峰。如果接触器线圈电源与辅助电源的输人电源为同一个电源时，之间最好通过一个EMI滤波器。继电器触头动作时也将产生电磁干扰，因此，也要在触头两端增加RC吸收电路。 3.7 开关电源箱体结构的电磁兼容设计 1)材料选择在进行开关电源的箱体结构设计时，对于屏蔽材料的选择原则是，当干扰电磁场的频率较高时，选用高电导率的金属材料，屏蔽效果较好；当干扰电磁场的频率较低时，选用高磁导率的金属材料，屏蔽效果较好；在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用高电导率和高磁导率的金属材料组成多层屏蔽体。 2)孔洞、缝隙、搭接处理方法采用电磁屏蔽方法无须重新设计电路，便可达到很好的电磁兼容效果。理想的电磁屏蔽体是一个无缝隙、无孔洞、无透人的导电连续体，低阻抗的金属密封体，但是，开关电源需要有输入、输出线过孔、散热通风孔等，以及箱体结构部件之间的搭接缝隙，如果不采取措施，这些孔洞和缝隙将会导致电磁泄漏，使箱体的屏蔽效能降低、甚至完全丧失。因此，在设计开关电源箱体时，金属板之间的搭接最好采用焊接，无法焊接时要使用电磁密封垫或其它的屏蔽材料；箱体上的开孔孔径要小于被屏蔽的电磁波波长的1／2，否则屏蔽效果将大大降低；对于通风孔，在屏蔽要求不高时可以使用穿孔金属板或金属化丝网，在既要求屏蔽效能高，又要求通风效果好时选用截止波导管等方法，以提高屏蔽体的屏蔽效能。如果箱体的屏蔽效能仍无法满足要求时，可以在箱体上喷涂屏蔽漆。除了对开关电源整个箱体的屏蔽之外，还可以对电源设备内部的元器件、部件等干扰源或敏感设备进行局部屏蔽。 3)其他在进行箱体结构设计时，针对设备上所有会受到静电放电影响的部分，须设计一条低阻抗的电流泄放路径，箱体必须有可靠的接地措施，并且要保证接地线的载流能力，同时，将敏感电路或元器件布置得远离这些泄放回路，或对其采用电场屏蔽措施。对于结构件的表面处理，一般需要电镀银、锌、镍、铬、锡等，具体要从导电性能、电化学反应、成本及电磁兼容性等多方面考虑后做出选择。 3.8 元器件布局与布线中的电磁兼容设计 对于开关电源设备内部元器件的布局必须整体考虑电磁兼容性的要求，设备内部的干扰源会通过辐射和串扰等途径影响其它元器件或部件的正常工作，研究表明，在离干扰源一定距离时，干扰源的能量将大大衰减，因此，合理的布局有利于减小电磁干扰的影响。 EMl输入输出滤波器最好安装在金属机箱的入出口处，并保证输入与输出线的屏蔽隔离。 敏感电路或元器件要远离发热源。 对于开关电源产品，一般须遵守以下布线原则。 1)主电路输入线与输出线分开走线。 2)EMI滤波器输入线与输出线分开走线。 3)主电路线与控制信号线分开走线。 4)高压脉冲信号线最好分开单独走线。 5)分开布线要避免平行走线，可以垂直交叉，线束之间距离在20mm以上。 6)电缆不要贴着金属外壳和散热器走线，保证一定距离。 7)双绞线、同轴电缆及带状电缆在EMC设计中的使用。 (1)双绞线、同轴电缆都能有效地抑制电磁干扰在脉冲信号传输线路中常使用双绞线，控制辅助电源线和传感器信号线最好用双绞屏蔽线。因为双绞线两根线之间有很小的回路面积，而且双绞线的每两个相邻的回路上感应出的电流具有大小相等、方向相反，产生的磁场相互抵消，这样就可以减小因辐射引起的差模干扰，不过双绞线绞合的圈数最好为偶数，且每单位波长所绞合的圈数愈多，消除耦合的效果愈好。使用时注意双绞线和同轴电缆两端不能同时接地，只能单端接地，而对屏蔽线，屏蔽层两端接地能既能屏蔽电场还能屏蔽磁场，单端接地只能屏蔽电场。使用同轴电缆时还要注意，其屏蔽层必须完全包覆信号线接地，即接头与电缆屏蔽层必须360。搭接，才能有效屏蔽电磁场，如图8所示，信号线裸露部分仍可以与外界形成互容耦合，降低屏蔽效能。 (2)带状电缆适合于短距离的信号传输为了降低差模信号的电磁辐射，必须减小信号线和信号回流线所形成的回路面积，因此，在设计带状电缆布局时，最好将信号线与接地线间隔排列。如图9所示，其中S为信号线，G为信号地线。 3.9元器件的选择 热传播的方式有三种，即传导、对流和辐射。热辐射是以电磁波的形式向空间传播的，热传导也会向周围其它元器件传导热量，这些都会影响其它元器件或电路的正常工作，因此，从元器件热设计方面考虑要尽量留有较大余量，以降低元器件的温升及器件表面的温度，除元器件对温升有特殊要求外，一般开关电源要求内部元器件温度小于90℃，内部环境温度不超过65℃，以减4、热辐射干扰。 对数字集成电路，从电磁兼容性角度看，应多选用高噪声容限的CMOS器件代替低噪声容限的TTL器件。 尽量使用低速、窄带元器件和电路。 选用分布电感较小的表面贴装元器件(SMD)，选用高频特性好、等效串联电感低的陶瓷介质电容器、高频无感电容器、三端电容器和穿心电容器等作滤波电容。 3.10 控制电路及PCB的电磁兼容设计 信号地是指信号电流流回信号源的一条低阻抗路径。在设计中往往由于接地方法不恰当而产生地环路干扰和公共阻抗耦合干扰。因此，要合理选用接地方式，接地的方式有单点接地、多点接地和混合接地。 1)地环路干扰常发生在通过较长电缆连接，地相距较远的设备之问。原因是由于地环路电流的存在，使两个设备的地电位不同。通常用光电耦合器或隔离变压器进行“地”隔离，消除地环路干扰。由于隔离变压器绕组之间寄生电容较大，即使采取屏蔽措施的隔离变压器通常也只用于1MHz以下的信号隔离，超过lMHz时多采用光电耦合器隔离。 2)公共阻抗耦合当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时，就会发生公共阻抗耦合。由于地线是信号回流线，一个电路的工作状态必然会影响地线电压，当两个电路共用一段地线时，地线的电压就会同时受到两个电路工作状态的影响。 可见无论是地环路干扰还是公共阻抗耦合问题都是由于地线阻抗引起的，因此，在设计时一定要考虑尽量降低地线阻抗与感抗。 3)减小控制电源噪声 电源线上有电流突变，就会产生噪声电压。在靠近芯片的位置增加解耦电容，能有效减小噪声。如果是高频电流负载，则采用多个同容量的高频电容和无感电容并联能获得更好的效果。注意电容容量并非越大越好，主要根据其谐振频率、提供脉冲电流频率来选择。 4)印制板的合理布线印制板合理地布置地线将能有效地减小印制板的辐射以及提高其抗辐射干扰能力，请注意以下几条。 (1)布置地线网络，即在双面板的两面布置最多的平行地线。 (2)对于一些关键信号(如脉冲信号和对外界较敏感的电平信号)的地线的布置必须尽量缩小引线长度，减小信号的回流面积，如果是双面板，地线和信号线可以在印制板两面并联平行走线。 (3)若是多层线路板，且既有数字地又有模拟地，则数字地和模拟地必须布置在同一层，减小它们之间的耦合干扰。 (4)在实际电路中常发生公共阻抗耦合，因此，要根据实际情况选择正确的接地方式。 3.1l 其他方法 1)给IGBT、MOSFET等开关器件的驱动信号增加一个-5V"-1OV的负电平，可提高驱动信号的抗干扰能力，或驱动信号采用光纤传输，光纤适宜于远距离传输，具有抗干扰能力强的特点。 2)为了防止电平信号中的毛刺，引起软件的误判断及误动作，可以通过多次采样等数字滤波技术来滤除干扰信号。 4 结语 本文详细分析了隔离式Dc／Dc变换器存在的电磁干扰源及其产生机理，并详细介绍了针对其主电路和控制电路的电磁兼容设计方法，这些方法对其它电子产品的电磁兼容设计具有一定的参考价值。