最新小功率DCDC模块隔离阻抗分析要点.docx

1、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1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1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

2、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

3、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

4、距较远。两个地电位差构成系统的共模（CM ）噪声电压nc e 。nc e 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（nc e ）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(a2

5、所示。图中s e 为信号电压；i Z 为部分等效内阻抗，包括传输线阻抗在内；L Z 为等效负载阻抗。噪声nc e 对系统2负载Z L 形成的干扰电压2n U 为2LLnc n i Z U Z Z e =+ （1） 图2 直接接地(a及浮地(b供电的等效电路当L iZ Z 时，2n nc U e 。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2n U 为212L i Lnnc Z ZU Z Z Z Z Z e =+ （2）式中(/i L i Z Z Z Z =+。若iL Z Z ，则i Z Z

6、 。式（2）变为212i Li i Lnc n Z Z U Z Z Z Z Z e =+ （3）通常12i Z Z Z 、，式（3）简化为/2212i Li Ln n nc Z Z U U Z Z Z Z e =+ （4）由于(12/+1i Z Z Z ，故22n n U U 。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

7、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/IS C Z R X = （5）222/IS C Z R X = （6）或者写成通式： /IS IS IS Z R X = （7）通过一个实例，分析容抗对隔离阻抗的影响。实测100IS R M 。设100p IS C F =, 容抗(1ISCIS X C j -=，其模为(9111.6102IS IS CISC C X f f= （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。2f kHz

8、 时，容抗不足M 1，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ISCIS R X 时，隔离阻抗为：IS IS Z X （9）表1 100pF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

9、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n E 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( i j i j Z C i =12j =23j i 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m i jZ 及电容m ijC 则是它们综合效应，如图6所示。图

10、5与图6中相应参数的函数关系如式（10）和式（11）所示。 433(a(b m m (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/m 12m2m 1Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z =+=+=+（10） m 132312121323m121323231213m122313131223C C C C C C C C C C C C C C C C C C =+=+=+（11）要从实测m mi j ijZ C 及导出真实i j i j Z C 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

11、效果。S121223S232313S 1313123-1-2-3C C C C C C C C C =+=+=+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( /2S S S S S SS S SC C C C C C C C C C C C =+-=+-=+-（13）等效三角形说明阻抗间的关联性。工程上要求i j i j Z C 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

12、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nc e 加在输入端。通过外接电容ex C 模拟初次级隔离电容的变化。P R 为保护电阻，只在高压(100V 时用到。Cex + 28V _ Rp DC/DC 1 S 3 2 + U nc U0 nc - U nc V+ 0 VRL * 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 Z L 代表“2”端（输出端）测试仪表 的等效负载阻抗（ RL、CL ） 。 enc 是

13、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 U nc = Ze Z12 + Z e enc = K enc （14） 式中系数 K = Ze / ( Z12 + Ze = Unc / enc ；等效阻抗 Ze = Z23 / / Z L 。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= C12 C12 + 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。 1

14、Z12 2 Unc 1 C12 2 Unc CL * Z13 Z23 3 RL C13 * C23 3 enc 图8 enc 图9 实验测试等效电路 容抗取代阻抗的等效电路 S S S 通过对实验模块的部分短接测量，测得 C12 = 49 pF ， C13 = 50 pF 。由式 (13导出真实分 = 42pF ， C23 布电容为 C12 = 21.5 pF ， C23 = 20.5 pF ， C13 = 28.5 pF , 。同时测得测量仪表的等效电容 CL1 = 160 pF ；线路 板引线等效电容 CL2 = 15 pF ； 考虑外接电容 Cex 的存在， 用 C12 CL = CL1

15、 + CL2 = 175 pF 。 = 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。 5 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 ） U nc f (V ( Hz Cex (pF 0.00 100(93 * 300(306 1100(1119