DC-DC的EMC設(shè)計

1、DC-DCW換器的電磁兼容技術(shù)引言DC-DC 轉(zhuǎn)換器是通信系統(tǒng)的動力之源，已在通信領(lǐng)域中到達廣泛應(yīng)用。由于具有高 頻率、寬頻帶和大功率密度，它自身就是一個強大的電磁干擾 EMI源，嚴重時會 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(shè)備正常工作的前提，且也成為電子產(chǎn)品設(shè)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

2、、功率密度大、工作頻率高等特點，這些特點直接導(dǎo)致電源內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)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(shè)計已經(jīng)成為電源設(shè)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(guān)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(guān)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

3、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(shè)備在某段頻率范圍內(nèi)有傳導(dǎo)干擾電平超標，查閱該圖可得出是哪一種類型的傳導(dǎo)干擾信號占主導(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。DM1At VM商CM- 1- 1- - 1|_J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(shè)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

4、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(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)，實現(xiàn)零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)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(dǎo)通和零電流下關(guān)斷，假設(shè)同時快速二極管也采用軟 關(guān)斷，那么可以大幅度降低 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。對于相同型號的開關(guān)管，

5、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 那么采用了 150Q驅(qū)動緩沖 電阻反并聯(lián)二極管的驅(qū)動電路。通常開關(guān)管關(guān)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(guān)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。|HIIW實驗證明轉(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VDS 的 dv/dt為 2V/nS 左右，而轉(zhuǎn)換器 A開關(guān)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)

6、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(guān)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 1 Q 和 47 Q 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 1 Q 水平方向驅(qū)動電阻為 47Q 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(guān)速度來提高DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率是不可取的。于是，如何選擇適宜的驅(qū)動電

7、路參數(shù)、不斷地優(yōu)化驅(qū)動電路的設(shè)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，是近年來開展的一個新方向。例如，在驅(qū)動電路中保存驅(qū)動電阻的同時參加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 性能和總效率指標的關(guān)系，以到達最理想的效果。如圖3所示。圖 3 有驅(qū)動緩沖電阻、開關(guān)速度均可以控制的驅(qū)動電路濾波技術(shù)DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 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

8、很少衰減地通過。EMI濾波器是 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計工程師控制傳導(dǎo)電磁干擾和輻射電磁干擾的首選工具。濾波器對 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(yīng)該滿足以下設(shè)計原那么：-雙向濾波。DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 EMI 濾波器實質(zhì)上是一種雙向低通濾波器，既要抑制DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的從轉(zhuǎn)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(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，保護 DC-DC 轉(zhuǎn)換器正常工作；-阻抗失配。源內(nèi)阻是高阻低阻的，那么濾波

9、器輸入阻抗就應(yīng)該是低阻 高阻的；負載是高阻低阻 的，那么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要抑制的干擾 頻率而言，對正常工作的信號頻率應(yīng)該阻抗匹配。-CM和 DM 同時抑制。由于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的工作頻率根本都在幾百 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(zhuǎn)換器的 EMI 超標頻段都會覆蓋 0.1_1MHz 頻段的 一局部或全部范圍。 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 D M同時抑制的原那么。印制電路板的 EMC 設(shè)計由于 PCB更改與相應(yīng)的傳導(dǎo)、輻射騷擾的測試較為復(fù)雜，且在時間和本錢上也存在 困難，

10、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(shè)計所積累的經(jīng)驗給出DC-DC 轉(zhuǎn)換器 PCB設(shè)計時需要注意的地方主要針對降低 DC-DC 轉(zhuǎn)換器對外的 EMI 。設(shè)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(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轉(zhuǎn)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??；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高頻尖刺，應(yīng)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)膭e離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(jié)構(gòu)優(yōu)于鋁基板式結(jié)構(gòu)就是這個原因。實踐證明，上述印制電路板 EMC 設(shè)計，對開關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的 EMC 性能有較大的影響。在印制板設(shè)計階段，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