最新小功率DCDC模块隔离阻抗分析要点.docx
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最新小功率DCDC模块隔离阻抗分析要点
小功率DC-DC模块隔离阻抗分析要点
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小功率DC/DC模块隔离阻抗分析
景艳红陆寿茂
航天科技集团公司一院一部
二00二年六月二十八日
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小功率DC/DC模块隔离阻抗分析
景艳红陆寿茂
（航天科技集团公司一院一部北京100076）
文摘从DC/DC功能引出隔离阻抗概念，进而介绍隔离阻抗的内涵及阻抗三角形分析方法。
通过实例验证理论分析的合理性，指明提高隔离阻抗是增强DC/DC模块共模抑制能力的主要途径，减小分布电容是最有效的措施。
主题词DC/DC变换隔离阻抗分布电容电磁兼容
直流-直流电源变换器（DC/DC）分为隔离型与非隔离型两类。
它们各有所长，用途广阔。
遥测系统箭上设备出于抗干扰（EMI）需求，主要选用隔离型DC/DC电源。
隔离方式以电磁效应为主，即采用变压器实现电压变换、初次级隔离及电磁兼容的功能。
此处隔离亦称绝缘。
初次级隔离实为初级“地”与次级“地”的隔离，以保护人身与设备的安全，同时抑制电磁干扰的传播。
为适应分布式供电，DC/DC模块应运而生。
随着电子技术的发展和小型化的推动，10W以下的小功率DC/DC模块得以普及并逐步形成系列化和标准化产品。
我部外委研制的3W级DC/DC模块已完成初样测试。
其中隔离阻抗作为一项正式技术指标，首次写入研制合同。
本文特对隔离阻抗的内涵、工程意义及测试方法进行研究分析。
1.从绝缘电阻到隔离阻抗的跨越
以往多用绝缘电阻衡量电路绝缘（或隔离）性能。
其本质是反映泄漏电流的大小。
这在直流或低频条件下是可行的。
随着自动化、智能化及信息技术的发展，箭上电气系统趋于复杂，频带展宽，从而引出电磁兼容（EMC问题。
抑制电磁干扰的一项有效措施是采用漂浮电源，即用对地绝缘的DC/DC电源。
它切断“地”回路，极大地衰减共模干扰，简化系统设计，提高系统工作的安全性及可靠性。
表征DC/DC电源隔离性能的重要指标是隔离阻抗，而非绝缘电阻。
这是一步跨越。
它表明DC/DC抑制干扰能力的增强及认识水平的提升。
为介绍干扰情况，以系统电源直接接地为例,图1是其原理框图。
系统1、2分别由两个独立电源供电，且直接接地。
两地相距较远。
两个地电位差构成系统的共模（CM）噪声电压nce。
nce进入系统1、2中，形成干扰。
其后果视条件而变，严重时可能破坏系统正常运行。
这是大家不愿见到的结局。
图1系统电源直接接地
在长期实践中，人们总结出对付干扰的三大措施，即抑制干扰源、抑制干扰传输及提高自身抗干扰能力[1]
。
抑制干扰源效果最佳，可惜常常难以实现。
抑制干扰传输的办法较多，除屏蔽、滤波等措施外，采用漂浮电源，让系统对地“浮”起来，亦为立杆见影之举。
基本思路是在干扰（nce）进入系统的路径上增大阻抗，削弱其对系统的危害力度。
为了分析简便，将图1中的系统1设定为信号发送端，系统2设定为接收端，其等效电路如图2（a
2
所示。
图中se为信号电压；iZ为部分等效内阻抗，包括传输线阻抗在内；LZ为等效负载阻抗。
噪声nce对系统2负载ZL形成的干扰电压2nU为
2L
L
ncniZUZZe=
+
（1）
图2直接接地（a及浮地（b供电的等效电路
当Li
ZZ时，2nncUe≈。
干扰直接进入系统1、2，显然不合理！
改进措施如图2（b所示：
两个系统均
用浮地电源，在接地路径上设置隔离阻抗1Z和2Z。
这时系统2负载上的干扰电压2nU'为
212LiL
n
ncZZ
UZZZZZe'=⋅+++
（2）
式中（//iLiZZZZ=+。
若i
LZZ，则iZZ≈。
式
（2）变为
212iL
iiL
ncnZZUZZZZZe'=⋅+++（3）
通常12
iZZZ、，式（3）简化为
/2212iL
iL
nnncZZUUZZZZe=
⋅<<++（4）
由于（
12/+1iZZZ，故22nnUU'。
这一结论，充分表达了隔离电源对共模干扰的巨大抑制能力。
正是
这种凸显的优点，导致DC/DC在各个层面（包括系统、分系统、整机及单板等）获得广泛应用。
图3展示用两块DC/DC模块为系统1、2分别供电的原理框图。
图中1R、1C及2R、2C分别代表两块DC/DC的隔离电阻及电容。
图中未画电感不是疏忽。
由于共模干扰频带涉及高、中、低频段，高频幅值较小；中、低频幅值较大，是主要成分。
分布电感在中频以下感抗较小；而分布电容相对突出，对绝缘电阻起旁路作用。
两块DC/DC等效隔离阻抗为
111//ISCZRX=（5）
222//ISCZRX=（6）
或者写成通式：
//ISISISZRX=（7）
通过一个实例，分析容抗对隔离阻抗的影响。
实测100ISRMΩ＞。
设100pISCF=,容抗（1IS
CISXCjω-=，
其模为
（9
1
11.6102ISISCIS
CCXff
ωπ⨯==≈Ω（8）
3
图3系统由DC/DC供电，对地形成漂浮
表1列出容抗随干扰频率f变化的关系。
2fkHz≥时，容抗不足ΩM1，对绝缘电阻形成严重旁路。
这时，隔离阻抗主要取决于分布（隔离电容。
由式（7不难导得相同的结果:
当IS
CISRX时，隔离阻抗为：
ISISZX≈（9）
表1100pF容抗
X与频率f关系
从关注绝缘电阻转移到关注分布（隔离）电容，不仅是理念上的升华及拓展，更具有工程实践意义。
首先明确绝缘阻抗（包含电阻和电容）应成为DC/DC的一项重要技术指标。
这是制约DC/DC设计、生产和测试的一项基本要求。
具体讲，变压器初次级间杂散电容宜小不宜大；不可在初次级间以及初次级对壳体间随意跨接固定电容；开关管与模块壳体间的分布电容与传热设计这一对矛盾要妥善解决，等等。
如何获取隔离阻抗？
须从分析阻抗三角形开始。
2.隔离阻抗等效三角形（∆）
实际运行中的隔离型DC/DC模块的外壳（或屏蔽层S）通常接地，以抑制内部噪声外泄及外部噪声nE入侵，如图4所示。
这是一块输出15V±的模块。
它以“O”端为“输出地”；输入28V的“-”端为“输入地”；加上“屏蔽地”，共有三个“地”。
三点构成三角形（∆），如图5（a所示。
若以隔离电容取代隔离阻抗，便可简化为图5（b。
图5中（ijijZCi=12j=23ji≠及、，、，是实际存在参数。
而由外部测量
V+0V-
图4隔离阻抗的等效电路图
仪表测得的阻抗mij
Z及电容mij
C则是它们综合效应，如图6所示。
图5与图6中相应参数的函数关系如式（10）和式（11）所示。
4
33（a
（b
mm（a（b
图5真实隔离阻抗（a及隔离电容（b等效∆图6实测隔离阻抗（a及隔离电容（b等效∆
（（（12132332312133131223//////m12m
2m1ZZZZZZZZZZZZ⎫
=+⎪=+⎬
⎪
=+⎭
（10）m132312121323m
121323231213m
122313131223CCCCCCCCCCCCCCCCCC⎫
⋅=+
⎪
+⎪⎪⋅=+⎬+⎪⎪⋅=+⎪
+⎭
（11）
要从实测mm
ijij
ZC及导出真实ijijZC及比较繁琐。
为简化演算，采用局部短接法实测电容可收明显效果。
S
121223S
232313S1313123-1-2-3CCCCCCCCC⎫
=+⎪=+⎬⎪=+⎭
短接端：
短接1端：
短接2端：
（12）由式（12）能够方便地分离出真实隔离电容：
121213232323121313132312（/2（/2（/2SSSSSS
SSS
CCCCCCCCCCCC⎫
=+-⎪=+-⎬⎪=+-⎭
（13）
等效三角形说明阻抗间的关联性。
工程上要求ijijZC及的三个值彼此接近，不宜差异过大。
3.实验验证
理论与实践表明，共模干扰是箭上遥测设备的主要干扰模式。
人们自然关心隔离型DC/DC模块对共模干扰的抑制能力怎样？
共模抑制（CMR）与隔离阻抗的关系如何？
下面通过新近研制的3W级±15V初样进行验证性实验。
模块内部结构如图4所示。
实验电路示于图7，外壳接地。
外部共模噪声nce加在输入端。
通过外接电容exC模拟初次级隔离电容的变化。
PR为保护电阻，只在高压（≥100V时用到。
Cex+28V_RpDC/DC1S32+UncU0nc-UncV+0VRL*enc图7隔离型DC/DC模块共模干扰实验图借助隔离阻抗三角形方法画出图7的等效电路（见图8）。
图中ZL代表“2”端（输出端）测试仪表的等效负载阻抗（RL、CL）。
enc是以屏蔽外壳为参考的共模噪声输入电压；Unc是输出共模电压，其表达式为Unc=ZeZ12+Zeenc=Kenc（14）式中系数K=Ze/（Z12+Ze=Unc/enc；等效阻抗Ze=Z23//ZL。
式（14）中的共模电压传递系数K只与阻抗（隔离阻抗及负载阻抗）有关。
而阻抗中的容抗与频率有关。
当干扰频率较高时，可用容抗取代阻抗（见图9）。
这时K值与频率无关，即K=C12C12+C23+CL（15）由于信号源内阻很小，可以略去，故三角形的Z13（或C13）不影响传递系数的变化。
1Z122Unc1C122UncCL*Z13Z233RLC13*C233enc图8enc图9实验测试等效电路容抗取代阻抗的等效电路SSS通过对实验模块的部分短接测量，测得C12=49pF，C13=50pF。
由式（13导出真实分=42pF，C23布电容为C12=21.5pF，C23=20.5pF，C13=28.5pF,。
同时测得测量仪表的等效电容CL1=160pF；线路板引线等效电容CL2=15pF；考虑外接电容Cex的存在，用C12CL=CL1+CL2=175pF。
¢=C12+Cex取代C12，代入式（15）得K¢=C12¢/（C12¢+C23+CL（16）用正弦信号发生器作共模噪声源，enc=5V（rms=const.，频率f=20~20000Hz。
改变外接电容Cex，标称值分别取0、100pF、300pF及1100pF。
测量结果列于表2,并在图10上展示相应的幅频特性（Unc-f曲线。
在低频段曲线单调上升；随着频率增加，曲线趋于水平线，输出不随频率变化。
这就验证了式（16）的关系，即容抗起主要作用。
相关系数列于表3。
其中K1¢（实）为实测共模传递系数；K2¢（理）为按式（16）导得的传递系数，两者接近，表示理论模型的合理性。
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表2外接电容Cex对传递系数幅频特性影响的测试数据表（enc=5V）Uncf（V（HzCex（pF0.00100（93*300（3061100（1119
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