DC-DC转换器的电磁兼容技术浅谈

ByGrith4 · 发表于 2020-4-7 11:23

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本帖最后由 ByGrith4 于 2020-4-7 11:24 编辑

引言

　　DC-DC转换器是通信系统的动力之源，已在通信领域中达到广泛应用。由于具有高频率、宽频带和大功率密度，它自身就是一个强大的电磁干扰（EMI）源，严重时会导致周围的电子设备功能紊乱，使通信系统传输数据错误、出现异常的停机和报警等，造成不可弥补的后果；同时，DC-DC转换器本身也置身于周围电磁环境中，对周围的电磁干扰也很敏感（EMS），如果没有很好的抗电磁干扰能力，它也就不可能正常工作。因此，营造一种良好的电磁兼容（EMC）环境，是确保电子设备正常工作的前提，且也成为电子产品设计者的重要考虑因素。

　　DC-DC转换器EMC特点

　　DC-DC转换器具有体积小、功率密度大、工作频率高等特点，这些特点直接导致电源内部电磁环境复杂，同时也带来了一系列高频 EMI的问题，产生的干扰对电源本身和周围电子环境带来很大的影响。为满足日趋严格的国际电磁兼容法规，DC-DC转换器的EMC设计已经成为电源设计中的首要问题之一。

　　DC-DC转换器的EMC问题主要有如下几个特点： DC-DC转换器作为工作于开关状态的能量转换装置，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的铝基板和高频变压器；由于DC- DC转换器与其它电子电路相连紧凑，产生的EMI很容易造成不良影响。

　　DC-DC转换器的共模干扰信号（CM）和差模干扰信号（DM）的分布图如图1所示。这是分析干扰信号特性十分有用的列线图。如果设备在某段频率范围内有传导干扰电平超标，查阅该图可得出是哪一种类型的传导干扰信号占主导地位，从而指导改变EMI滤波器的网络结构及参数等相应措施加以解决。

　　DC-DC转换器的EMC设计

　　屏蔽和接地

　　屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域；二是防止外来的辐射进入某一区域。屏蔽是解决DC-DC转换器EMC问题的手段之一，目的是切断电磁波的传播途径，主要是做好DC-DC转换器的机壳密封性屏蔽。接地的要点是电位相同、内部电路不互相干扰、抵御外来干扰。尽量减少导线电感引起的阻抗，增加地环路的阻抗，减少地环路的干扰。

　　软开关技术

　　应用软开关技术，实现零电压开关与零电流开关运行可以大大减小功率器件的di/dt和dv/dt。即功率管能在零电压下导通和零电流下关断，若同时快速二极管也采用软关断，则可以大幅度降低DC-DC 转换器的EMI水平。

　　优化缓冲电路

　　在开关管的驱动电路中添加缓冲电路也可以有效减少电路中的di/dt和dv/dt，从而减少EMI干扰源。缓冲电路延缓功率开关器件的导通、关断过程，从而降低DC-DC 转换器的EMI水平。对于相同型号的开关管，在其他条件相同只是驱动缓冲电路不同的情况下由试验来决定。

　　例如中转换器A采用无驱动缓冲电阻的驱动电路；转换器B则采用了150Ω驱动缓冲电阻反并联二极管的驱动电路。通常开关管关断的 dv/dt要比开通时小很多，对DC-DC 转换器的EMI水平影响较小。反向并联有二极管，这样开通速度可以减慢，而关断速度不受影响，可以最大限度地保证原有的整机效率不受影响。

　　实验证明转换器B中开关管开通速度要比转换器A慢很多，转换器B开关管开通时VDS的 dv/dt 为2V/nS左右，而转换器A开关管开通时VDS的dv/dt为5V/nS左右，要大很多。可见增加适当的驱动电阻并优化驱动电路，可以显著的减小电路中的di/dt和dv/dt，降低电源DC-DC 转换器的EMI水平。

　　EMI辐射发射试验进一步验证开关管驱动缓冲电阻大小对整个DC-DC转换器EMI水平的影响。图2为转换器B采用非夹绕变压器时，当驱动电阻取值为1Ω和47Ω（反向并联有二极管）时的辐射干扰。可以看出增大驱动电阻后，30MHz和接近200MHz的频点各有3_5dB的明显改善。

　　驱动电阻为1Ω（水平方向）

　　驱动电阻为47Ω（水平方向）