DC-DC轉(zhuǎn)換器的電磁兼容技術淺談

　　引言

　　DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器EMC特點

　　DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的EMC問題主要有如下幾個特點： DC-DC轉(zhuǎn)換器作為工作于開關狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)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(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（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(jié)構及參數(shù)等相應措施加以解決。

　　圖1 DC-DC轉(zhuǎn)換器的共模干擾信號和差模干擾信號分布圖

　　DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的EMI水平。

　　優(yōu)化緩沖電路

　　在開關管的驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)動緩沖電路不同的情況下由試驗來決定。

　　例如中轉(zhuǎn)換器A采用無驅(qū)動緩沖電阻的驅(qū)動電路；轉(zhuǎn)換器B則采用了150Ω驅(qū)動緩沖電阻反并聯(lián)二極管的驅(qū)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(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(zhuǎn)換器B中開關管開通速度要比轉(zhuǎn)換器A慢很多，轉(zhuǎn)換器B開關管開通時VDS的 dv/dt 為2V/nS左右，而轉(zhuǎn)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?qū)動電阻并優(yōu)化驅(qū)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(zhuǎn)換器的EMI水平。

　　EMI輻射發(fā)射試驗進一步驗證開關管驅(qū)動緩沖電阻大小對整個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，當驅(qū)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?qū)動電阻后，30MHz和接近200MHz的頻點各有3_5dB的明顯改善。

　　驅(qū)動電阻為1Ω（水平方向）

　　驅(qū)動電阻為47Ω（水平方向）

　　圖2 驅(qū)動電阻對輻射發(fā)射的影響　　因此得出結(jié)論是，單靠提高開關速度來提高DC-DC轉(zhuǎn)換器效率是不可取的。于是，如何選擇合適的驅(qū)動電路參數(shù)、不斷地優(yōu)化驅(qū)動電路的設計，在提高DC-DC轉(zhuǎn)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(qū)動電路中保留驅(qū)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(qū)動緩沖電阻、開關速度均可以控制的驅(qū)動電路

　　濾波技術

　　DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的EMC濾波電路應該滿足以下設計原則：

　　·雙向濾波。