DCDC电源EMC设计样本.docx

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DCDC电源EMC设计样本

DCDC电源EMC设计与测试分析

1、引言

DC-DC变换器是航天器在地面测试和在轨运营各个阶段将一次电源母线电压变换成各分系统及电子设备所需电压，供航天器上负载使用重要装载设备。

国内在1986年制定了国军标GJB-151-86，对电子设备涉及DC-DC变换器EMC（电磁兼容性）做出了规定。

由于航天器上装载有诸多电子仪器设备，如通信、遥测与遥控设备等，这些设备对EMI（电磁干扰）很敏感，超标EMI会使这些设备产生错误信号和指令，严重影响航天器整体安全、稳定工作。

因而，DC-DC变换器EMC设计很重要。

2、航天器DC-DC变换器EMC技术规定

航天器DC-DC变换器普通规定进行EMC测试项目见表1，各测试项目规定是以GJB151A-97为基本，并参照了国内通信卫星对设备级产品EMC规定。

表1航天器DC-DC变换器EMC规定测试项目

2.1辐射发射控制规定（RE102）

辐射发射是检查设备以电磁辐射形式向空间发射干扰强度与否超过限制值，RE102是电场辐射发射实验。

受试设备（EUT）RE102（10kHz～18GHz）应不超过图1规定。

EUT工作频率较低，实验频率上限可到1GHz或其最高工作频率10倍，取较大者。

图1RE102无意电场辐射发射限制曲线

2.2传导发射控制规定（CE102）

电流往往会借助电源线产生电磁辐射，CE102是检查设备以射频传导方式发射干扰强度与否超过限制值。

本规定合用于航天器上所有设备电源导线。

EUTCE102（10kHz～10MHz）电平应满足图2规定。

图2CE102电源线传导发射限制曲线

2.3辐射敏感度规定（RS103）

辐射敏感度检查设备能否抵抗外界电磁干扰，RS103是关于电场干扰。

当按规定强度对EUT进行RS103（2MHz～18GHz）实验时，EUT工作级和性能级应分别满足相应级别敏感度判断准则规定，实验频率上限到1GHz或EUT最高工作频率10倍。

EUT电场辐射敏感度规定详细指标见表2。

表2RS103不同级别测试限值规定

2.4传导敏感度规定（CS101、CS114、CS115、CS116）

电源线传导敏感度（CS10130Hz～150kHz）：

本规定合用于直流电源线，不涉及回线。

CS101电源线注入电压及功率规定见表3，EUT应满足性能级规定。

表3CS101电源线注入电压及注入功率规定

电缆束注入传导敏感度CS114（10kHz～200MHz）：

本规定合用于互连电缆，涉及直流电源电缆在内。

CS114注入是等幅波干扰，校准波形最大0.1A，实验目是检查电缆束上感应电磁能量与否会对设备导致干扰，由于空间电磁波进入设备一种重要途径就是电缆。

当按表4注入信号电流进行实验时，EUT应满足性能级规定。

表4CS114电缆束注入电流规定

电缆束注入脉冲勉励传导敏感度（CS115）：

本规定合用于互连电缆。

CS115所模仿是设备使用平台上电感性负载断开时产生干扰，脉冲波形以30Hz重复。

航天器DC-DC变换器电缆束注入脉冲勉励传导敏感度生存级规定为I=5A；性能级规定为I=0.5A。

电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度CS116（10kHz～100MHz）：

本规定合用于互连电缆（涉及电源线和单根电源导线），但无需单独对电源回线进行实验。

CS116模仿了在受试设备上也许浮现衰减正弦波干扰，注入衰减正弦波校准波形幅度最高达5A。

电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度规定见表5。

航天器DC-DC变换器电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度生存级规定为IMAX=5A；性能级规定为IMAX=0.5A。

表5CS116电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度规定

2.5静电电弧放电敏感度实验（ESD）

本规定合用于初样航天产品壳体及所有互连电缆。

当按QJ2266-92规定普通采用间接放电±10kV电压值进行实验。

放电频率为1次/秒，每点（面）30次。

实验中EUT不应浮现任何故障、性能减少或偏离规定指标值。

3、航天器DC-DC变换器与EMC

航天器DC-DC变换器，按当前国内应用状况可分为28V、42V和100V输入电压品种，输出功率以30W为主。

DC-DC变换器是以功率半导体开关器件为核心高频功率电子电路，通过半导体开关器件周期性通断工作，控制开关元件时间占空比来调节输出电压。

脉宽调制器（PWM）工作方式使得变换器不可避免产生周期杂波，杂波频谱分布在开关频率点和其高阶谐波频率点。

如图3所示，DC-DC变换器电磁干扰（EMI）涉及辐射发射（RE）、传导发射（CE）、辐射敏感度（RS）和传导敏感度（CS）。

图3DC-DC变换器干扰发射和敏感度示意图

4、DC-DC变换器EMI分析及EMC设计

DC-DC变换器小型化和高频化是其发展趋势，但同步带来了更加严重EMC问题。

DC-DC变换器中开关管MOSFET和整流二极管在导通和截止过程中，迅速上升和下降过程中大电流变化所产生辐射能量已经成为噪声重要来源。

由于印制板元器件布局引起变换器内部元器件之间寄生电容及印制板布线引起寄生电容也是产生EMI根源之一。

4.1MOSFET开关噪声分析与抑制

DC-DC变换器中MOSFET作为功率开关管工作在硬开关状态时，由于其寄生电感和寄生电容作用，在开关管通断工作时，会产生较大电压浪涌和电流浪涌。

如图4所示MOSFET寄生电容Cr与MOSFET并联，寄生电感Lr与其串联。

开关接通时电路及等效电路如图5所示，开关接通前加在开关两端电压为Uoff，开关寄生电容中储存能量为：

开关接通时，寄生电容放电，在MOSFET中流过较大浪涌电流，其波形如图6所示。

开关管MOSFET断开时电路及等效电路如图7所示。

在开关接通时，MOSFET上电流等于通态电流Ion，同步寄生电感Lr上电流也等于Ion。

寄生电感中存储能量为：

MOSFET断开时，这个能量对寄生电容Cr充电，开关管上产生较大高频电压振荡。

开关断开时电阻Rtoff是变化，从最小电阻即通态电阻，变到最大电阻即开路电阻。

由等效电路可求得加在开关管两端电压为：

上式所示开关管断开时电压波形如图8所示。

从图上可看出，由于寄生电感与寄生电容作用，在开关管上浮现了超高频振荡电压，这一电压称为电压浪涌，峰值约为开关管断开时电压2倍。

若开关断开前MOSFET上Ion较大，则电压浪涌峰值也更大。

开关管MOSFET在断开时产生超高频振荡电压，将以辐射发射和传导发射形式对变换器内部及外部进行干扰。

并且，电压浪涌尖峰容易超过MOSFET安全工作电压范畴，对它可靠性导致严重危害。

因而，从减小电磁干扰和增强可靠性两方面考虑，必要采用办法进行有效抑制。

如图9所示，在MOSFET漏源极间并联一种RC串联网络与MOSFET形成缓冲回路。

RC缓冲回路可有效地钳制MOSFET漏源极间电压上升峰值，但同步延缓了开关时间，增大了开关损耗。

RC参数依照开关管断开时漏源电压及导通时流过电流拟定。

4.2整流二极管噪声分析与抑制

二极管一种重要参数是反向恢复时间trr，trr大小直接关系到二极管所产生噪声大小。

对于PN结型二极管由于存在少数载流子存储效应，二极管关断时存储电荷和多余电荷恢复需要一定反向恢复时间，并由此产生一定反向恢复电流。

同步，二极管关断损耗和反向恢复时间与电流峰值关于，并且开关频率越高，损耗越大。

为了减小高频下关断损耗，但愿反向恢复时间越短越好，成果导致电流变化率di/dt增大。

由此很容易引起二极管寄生电感和寄生电容振荡，体当前输出端为频率和幅值都较大纹波。

同步，反向恢复电流峰值还随正向电流增大而增大，在输出端会形成很大电压尖峰，成为输出噪声重要成分。

在高频DC-DC变换器中肖特基二极管已经广泛使用，它运用金属半导体结势垒作用，依照漂移现象产生电流，电荷不会积累，与快恢复二极管相比，反向恢复时间和反向恢复电流都非常小，关断电流di/dt小，因而引起振荡纹波及电压尖峰也小。

尽管选用肖特基二极管会减小输出纹波及尖峰，但由于电路寄生参数影响，其产生噪声仍不可忽视。

可以在二极管两端并联简朴RC串联缓冲网络以进一步减小噪声。

4.3输入输出端EMI分析与滤波器设计

（1）输入输出端EMI分析

DC-DC变换器中，由于寄生参数存在以及开关管高速导通和关断，使得变换器在输入输出端产生较大干扰噪声。

干扰噪声是差模分量和共模分量共同作用成果。

差模噪声就是普通意义上噪声，产生干扰信号与工作信号将以电势源形式串联加于变换器输入端，会对系统产生直接影响。

共模噪声发生在每根传播线和地线之间。

共模干扰是由共模电流引起，DC-DC变换器中各器件之间和器件与机壳之间都存在寄生电容，导线存在寄生电感，这些寄生参数构成了一种寄生传播网络。

当功率开关高速开通与关断时，会产生一种脉冲序列——脉冲源，该脉冲源通过寄生传播网络在变换器输入、输出线与地线之间产生共模电流干扰。

（2）EMI滤波器设计

电磁干扰从设备内发射出来或进入设备只有两个途径，就是空间电磁辐射形式和电流沿着导体传导形式。

当前咱们已经结识到输入输出滤波器不但对电源线传导发射（CE102）和传导敏感度（CS101）测试有作用，还对辐射发射（RE102）、电缆束注入传导敏感度和静电放电测试也有作用，由于通过实验已证明电源线及各种输入输出引线产生辐射远高于线路板自身辐射及机壳机箱屏蔽不完整所产生辐射，设备引线是重要辐射源同步又是敏感度很高接受器，在EMC测试中辐射敏感度、电缆束注入敏感度、静电放电等测试会在电源线上产生共模电压，当共模电压转变为差模电压时，就会对电路产生影响。

EMI滤波器重要用来滤除导线上电磁干扰，由于电磁干扰频率范畴很宽，普通从几十kHz到几百MHz,因而滤波器有效滤波频率要覆盖这样宽范畴。

由于DC-DC变换器重要干扰源是由开关频率产生高次谐波，以及高频电磁波更容易接受而对设备导致干扰，因而这些干扰均以高频为主，因此EMI滤波器采用低通滤波器。

低通滤波器电路形式有各种。

滤波器选取重要取决于要抑制干扰频率与工作频率之间差别和滤波器所接电路阻抗。

但是实际电路阻抗很难估算，特别是在高频时，由于电路受杂散参数影响，电路阻抗变化很大，并且电路阻抗在不同频率上也不同样。

因而，在实际电路中，哪一种滤波器更有效，重要靠实验成果拟定。

咱们在DC-DC变换器中设计EMI滤波器电路如图10、图11。

图10中C1、C2和图11中C4、C5是滤除共模干扰用Y电容（跨接在正线和回线与机壳之间，对共模电流起旁路作用，共模滤波电容普通取10000pF如下）。

同步，将输入、输出端正线和回线同向共磁芯绕制成共模电感L1，抑制共模噪声干扰。

此外，为了获得良好滤波效果，规定X和Y电容引线必要尽量短。

4.4印制电路板（PCB）EMC设计

（1）印制线设计考虑因素

由于DC-DC变换器中包具有诸多高频信号，PCB上任何印制线都可以起到天线作用，印制线长度和宽度会影响到其阻抗和感抗，从而会影响到频率响应。

印制线长度与其体现出电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线电感量和阻抗成反比。

长度决定着印制线响应波长，长度越长，印制线能发送和接受电磁波频率越低，它就能辐射出更多射频能量。

因而应将所有通过交流电流印制线设计得尽量短而宽。

（2）电路布局及接地设计

PCB设计中电路布局直接影响电磁干扰和抗干扰度特性。

每一种DC-DC变换器均有4个电流回路：

输入电流回路、开关交流回路、输出整流交流回路、输出负载电流回路，各回路之间应保持相对独立。

输入电流回路和输出负载电流回路普通不会产生电磁干扰，这些回路中电流波形为大直流电流和小交流电流叠加。

开关和整流交流回路包括高幅度梯形电流波形