DC-DC轉換器的電磁兼容技術

admin @ 2014-03-26 , reply:0

    DC-DC轉換器是通信系統的動力之源,已在通信領域中達到廣泛應用。由於具有高頻率、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,使通信系統傳輸數據錯誤、出現異常的停機和報警等,造成不可彌補的後果;同時,DC-DC轉換器本身也置身於周圍電磁環境中,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)環境,是確保電子設備正常工作的前提,且也成為電子產品設計者的重要考慮因素。

DC-DC轉換器EMC特點
DC-DC轉換器具有體積小、功率密度大、工作頻率高等特點,這些特點直接導致電源內部電磁環境複雜,同時也帶來了一系列高頻EMI的問題,產生的干擾對電源本身和周圍電子環境帶來很大的影響。為滿足日趨嚴格的國際電磁兼容法規,DC-DC轉換器的EMC設計已經成為電源設計中的首要問題之一。

DC-DC轉換器的EMC問題主要有如下幾個特點: DC-DC轉換器作為工作於開關狀態的能量轉換裝置,產生的干擾強度較大;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;由於DC-DC轉換器與其它電子電路相連緊湊,產生的EMI很容易造成不良影響。

DC-DC轉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範圍內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佔主導地位,從而指導改變EMI濾波器的網路結構及參數等相應措施加以解決。

 

圖1 DC-DC轉換器的共模干擾信號和差模干擾信號分布圖

DC-DC轉換器的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。採用屏蔽的目的有兩個:一是限制內部的輻射電磁能越過某一區域;二是防止外來的輻射進入某一區域。屏蔽是解決DC-DC轉換器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轉換器的機殼密封性屏蔽。接地的要點是電位相同、內部電路不互相干擾、抵禦外來干擾。盡量減少導線電感引起的阻抗,增加地環路的阻抗,減少地環路的干擾。

軟開關技術
應用軟開關技術,實現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,若同時快速二極體也採用軟關斷,則可以大幅度降低DC-DC 轉換器的EMI水平。

優化緩衝電路
在開關管的驅動電路中添加緩衝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。緩衝電路延緩功率開關器件的導通、關斷過程,從而降低DC-DC 轉換器的EMI水平。對於相同型號的開關管,在其他條件相同只是驅動緩衝電路不同的情況下由試驗來決定。

例如中轉換器A採用無驅動緩衝電阻的驅動電路;轉換器B則採用了150Ω驅動緩衝電阻反並聯二極體的驅動電路。通常開關管關斷的dv/dt要比開通時小很多,對DC-DC 轉換器的EMI水平影響較小。反向並聯有二極體,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。

實驗證明轉換器B中開關管開通速度要比轉換器A慢很多,轉換器B開關管開通時VDS的 dv/dt 為2V/nS左右,而轉換器A開關管開通時VDS的dv/dt為5V/nS左右,要大很多。可見增加適當的驅動電阻並優化驅動電路,可以顯著的減小電路中的di/dt和dv/dt,降低電源DC-DC 轉換器的EMI水平。

EMI輻射發射試驗進一步驗證開關管驅動緩衝電阻大小對整個DC-DC轉換器EMI水平的影響。圖2為轉換器B採用非夾繞變壓器時,當驅動電阻取值為1Ω和47Ω(反向並聯有二極體)時的輻射干擾。可以看出增大驅動電阻后,30MHz和接近200MHz的頻點各有3_5dB的明顯改善。  

 
驅動電阻為1Ω(水平方向)

驅動電阻為47Ω(水平方向)

圖2  驅動電阻對輻射發射的影響


因此得出結論是,單靠提高開關速度來提高DC-DC轉換器效率是不可取的。於是,如何選擇合適的驅動電路參數、不斷地優化驅動電路的設計,在提高DC-DC轉換器的EMC性能的同時又保證總效率等其他參數指標不受到大的影響,是近年來發展的一個新方向。例如,在驅動電路中保留驅動電阻的同時加入推挽電路以代替二極體,這樣就可以方便地分別調節控制開和關的速度,再權衡EMC性能和總效率指標的關係,以達到最理想的效果。如圖3所示。
 

 

圖3  有驅動緩衝電阻、開關速度均可以控制的驅動電路

 濾波技術
    DC-DC轉換器的EMI濾波器是由電感、電容等構成的無源雙向多埠網路。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(通常大於10KHz)範圍內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轉換器的EMC濾波電路應該滿足以下設計原則:

  • 雙向濾波。
    DC-DC轉換器的EMI濾波器實質上是一種雙向低通濾波器,既要抑制DC-DC轉換器產生的從轉換器傳入電源(或電網)的EMI信號,防止它污染電磁環境、危害其他設備。又要抑制或消除電源(或電網)存在的從電源(或電網)傳入轉換器的EMI信號,保護DC-DC轉換器正常工作;
  • 阻抗失配。
    源內阻是高阻(低阻)的,則濾波器輸入阻抗就應該是低阻(高阻)的;負載是高阻(低阻)的,則濾波器輸出阻抗就應該是低阻(高阻)的;這裡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該阻抗匹配。
  • CM和DM同時抑制。
    由於DC-DC轉換器的工作頻率基本都在幾百KHz,根據以往各型號產品的EMC檢測試驗經驗,一般情況下DC-DC轉換器的EMI超標頻段都會覆蓋0.1_1MHz頻段的一部分或全部範圍。根據圖1所示的分佈原理,我們通常要採取有重點地對CM和DM同時抑制的原則。

印製電路板的EMC設計
由於PCB更改與相應的傳導、輻射騷擾的測試較為複雜,且在時間和成本上也存在困難,因此進行專門的PCB對EMC影響的試驗較為困難,這裡只能根據一般原理以及多年從事電源設計所積累的經驗給出DC-DC轉換器PCB設計時需要注意的地方(主要針對降低DC-DC轉換器對外的EMI)。

  • 設計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。強脈衝信號線(dv/dt大)的走線要盡量短,它們是典型的發射天線;導線不要突然拐角。
  • 合理放置原邊開關管、輸入濾波電容、濾波電感,使得濾波電容、變壓器原邊繞組、開關管構成的迴路面積盡量減小,DC-DC轉換器中專門有完整地層,其餘信號線、功率線均在其它層上走線,使環路面積最小;合理擺放副邊整流濾波電路。
  • 開關管和整流管上如有較強高頻尖刺,應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,同時在靠近脈衝電路負載的部位如PWM晶元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佈電容,適當的分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,多層板式結構優於鋁基板式結構就是這個原因。

實踐證明,上述印製電路板EMC設計,對開關DC-DC轉換器的EMC性能有較大的影響。在印製板設計階段,工程技術人員由於缺乏有效的手段,往往只能採用試探方法,一旦開關DC-DC轉換器不能通過有關EMC標準,就需要重新設計印製板。往往為此付出沉重的代價。

結語

本文對DC-DC轉換器的EMC設計進行了簡單的歸納和分析,從五個方面討論了DC-DC轉換器的EMC設計問題。DC-DC轉換器EMC設計的關鍵是要弄清楚轉換器中EMI產生的機理,有針對性地進行抑制和消除。




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