隔离式DC／DC变换器的电磁兼容设计

emctest

  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。