隔離式直流／直流變換器的電磁兼容設計分析

隨著電力和電子技術的發展，開關電源模塊逐漸取代了傳統的整流電源，具有相對體積小、效率高、工作可靠等優點。然而，由于開關電源工作頻率高，內部會產生高電流。電壓變化率（即高dv/dt和di/df），導致開關電源模塊產生強電磁干擾，并通過傳導。輻射和串擾等耦合方式影響其電路和其他電子系統的正常工作。當然，它本身也會受到其他電子設備電磁干擾的影響。電磁干擾會導致傳輸信號畸變，影響電子設備的正常工作。雷電、靜電放電等高能電磁干擾，嚴重時會損壞電子設備。對于一些電子設備，電磁輻射會導致重要信息泄漏，嚴重時會威脅國家信息安全。這就是我們討論的電磁兼容性問題。此外，國家開始強制對部分電子產品進行3C認證。因此，電子設備能否滿足電磁兼容標準將與該產品能否在市場上銷售有關。因此，開關電源的電磁兼容性研究非常重要。

1.分析內部噪聲干擾源

1.1二極管廈向恢復引起的噪聲干擾

工頻整流二極管常用于開關電源。高頻整流二極管。續流二極管等，由于這些二極管在開關狀態下工作，如圖所示，在二極管從阻斷狀態到導通的轉換過程中，會產生高電壓峰UFP；在二極管從導通狀態到阻斷的轉換過程中，有一個反向恢復時間。在反向恢復過程中，由于二極管包裝電感和導線電感的存在，反向電壓峰URP會產生瞬態反向恢復電流峰IRP，這是電磁干擾的根源。

1.2開關管開關產生的電磁干擾

在正負荷下。推拉式橋式變換器中，流過開關管的電流波形在阻力負載下與矩形波相似，富含高頻成分，會產生強烈的電磁干擾。在反激變換器中，流過開關管的電流波形在阻力負載下與三角波相似，高諧波成分相對較少。開關管開啟時，由于開啟時間短，逆變電路中存在導線電感，會產生大DV/DT和高峰電壓。開關管關閉時，由于關閉時間短，會產生大DI/DT和高電流尖峰。電壓突變會產生強烈的電磁干擾。

1.3電感.變壓器等磁性元件引起的電磁干擾

輸入濾波電感器存在于開關電源中。功率變壓器。隔離變壓器。輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器一次之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過寄生電容耦合到二次；由于繞組工藝等原因，原。二次耦合不理想，泄漏會產生電磁輻射干擾。此外，功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流，周圍形成高頻電磁場；電感線圈中的脈動電流會產生電磁場輻射，負載突切時會形成電壓峰值。同時，當它工作飽和時，會產生電流突變，導致電磁干擾。

1.4控制電路引起的電磁干擾

振蕩器產生的高頻脈沖信號等周期性高頻脈沖信號會產生高頻高諧波，對周圍電路產生電磁干擾。

1.5其他電磁干擾

電路中還會有地環干擾。公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。此外，不合理的布線會使電磁干擾通過耦合電容器和線之間的分布互感串擾或輻射到相鄰的電線上，從而影響其他電路的正常運行。還有熱輻射引起的電磁干擾。熱輻射以電磁波的形式進行熱交換，影響其他電子元件或電路的正常穩定運行。

2.外部電磁干擾

對于某種電子設備，外部電磁干擾包括諧波干擾.雷電.太陽噪聲.靜電放電及周圍高頻發射設備。

3.開關電源的電磁兼容性設計

在設置開關電源的電磁兼容性汁時，首先要明確系統需要滿足的電磁兼容性標準；確定系統中的關鍵電路，包括強干擾源電路。高敏感電路；明確電源設備工作環境中的電磁干擾源和敏感設備；然后確定電源設備的電磁兼容性措施。因此，開關電源的電磁兼容性設計主要從以下三個方面入手：

1)減少干擾源的電磁干擾能量；

2)切斷干擾傳播途徑；

3)提高受擾設備的抗干擾能力。

以隔離DC/DC變換器為例，討論開關電源的電磁兼容性設計。

3.1DC/DC變換器輸入電路的電磁兼容性設計

如圖2所示，FV1為瞬態電壓抑制二極管RV1為壓敏電阻，具有較強的瞬變浪涌吸收能力，能很好地保護后部件或電路免受浪涌電壓的破壞。Z1為直流EMI濾波器，接地線必須短，最好直接安裝在金屬外殼上，并確保其輸入。輸出線之間的屏蔽和隔離可以有效地切斷沿輸入線的傳導干擾和沿空間的輻射干擾。L1和C1形成低通濾波電路，當L1電感值鞍大時，還必須增加D1和R1，形成續流電路，吸收L1斷開時釋放的電場能量，否則L1產生的電壓峰會形成電磁干擾，電感L1使用的磁芯最好是閉合磁芯，氣隙開環磁芯泄漏磁場會形成電磁干擾，C1容量好，減少輸入線周圍的紋波電磁場。

3.2高頻逆變電路的電磁兼容性設計

如圖3所示，由C2.C3.V2.V3組成的半橋逆變電路，V2.V3為LGBT或M0SFET等開關器件。V2.V3開關時，由于開關時間短，導線電感。變壓器漏感的存在，電路會產生較高的di/dt.dv/dt，從而形成電磁干擾。因此，R4.C4組成的吸收電路被添加到變壓器原側兩端或V2.V3兩端。在設計中，G4C5.C6。一般采用低感電容，電容器容量取決于導線電感。同路中的電流值和允許的過沖電壓值由LI2/2=C△V2/2獲得C(L為電路電感，I為電路電流，△V為過沖電壓值)。

為了減少△V，必須降低電路引線的電感值。因此，在設計中經常使用一種叫做多層低感復合母排的裝置。本集團申請專利的母排裝置可將電路電感降低到足夠小的lonh級，從而減少高頻逆變電路的電磁干擾。

在大電流或高電壓下的快速開關動作是產生電磁噪聲的基礎。因此，盡量選擇電磁噪聲小的電路拓撲。例如，在相同條件下，雙管正激拓撲產生的電磁噪聲小于單管正激拓撲，全橋電路產生的電磁噪聲小于半橋電路。此外，采用ZCS或ZVS軟開關轉換技術可有效減少高頻逆變電路的電磁干擾。

圖4顯示了增加緩沖電路后開關管上的電流。與無緩沖電路時的波形相比，緩沖電路后的電流電壓變化率大大降低。

由于變壓器是一種加熱元件，散熱條件差必然會導致變壓器溫度升高，從而形成熱輻射，因此，變壓器必須有良好的散熱條件。

通常將高頻變壓器包裝在鋁殼盒中，并注入電子硅膠。鋁盒也可安裝在鋁散熱器上，使變壓器形成更好的電磁屏蔽，保證良好的散熱效果。減少磁輻射。

3.4輸出整流電路的電磁兼容性設計

圖6顯示半波整流電路，D6為整流二極管，D7為續流二極管。由于D6.D7工作于高頻開關狀態，輸出整流電路的電磁干擾源主要是D6和D7。R5.G12和R6.C13分別連接到D6.D7。

減少整流二極管的數量可以減少電磁干擾的能量。因此，在相同條件下，半波整流小于全波整流和全橋整流產生的電磁干擾。

為了減少二極管的電磁干擾，必須選擇具有軟恢復特性的二極管。反向恢復電流小。反向恢復時間短。從理論上講，肖特基勢壘二極管（SBD）是大多數載流子的導流，沒有少子的存儲和復合效應，因此不會有反向電壓峰值干擾，但實際上對于反向工作電壓較高的肖特基二極管，反向恢復電流會隨著電子勢壘厚度的增加而增加，也會產生電磁噪聲。因此，在輸出電壓較低的情況下，肖特基二極管產生的電磁干擾將小于其他二極管。

3.5輸出直流濾波電路的電磁兼容設計

輸出直流濾波電路主要用于切斷沿導線向輸出負載端傳播的電磁傳導干擾，減少導線周圍電磁輻射的電磁干擾。

如圖7所示，由L2.C7.C18組成的LC濾波電路可以降低輸出電流和電壓紋波的大小，從而減少通過輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C17.C18應盡可能多地并聯，以降低等效串聯電阻，從而降低紋波電壓。輸出電感L2應盡可能大，以降低輸出紋波電流的大小。此外，電感L2最好使用無空隙的閉環磁芯，最好不要使用飽和電感。在設計中，請記住，電線上有電流和電壓的變化，電磁場會沿著空間傳播，形成電磁輻射。

C19用于過濾導線上的共模干擾，盡量選擇低感應電容器，接線較短。用于過濾輸出線上的差模干擾的C20.C21.C22.C23應選可靠。

Z3是一流EMI濾波器，根據情況決定是單級還是多級，但Z3需要直接安裝在金屬底盤上，濾波器輸入。輸出線最好是屏蔽隔離。

3.6接觸器.繼電器.風機電磁兼容設計

繼電器、接觸器、風扇等。失電后，線圈會產生較大的電壓峰值，從而產生電磁干擾。因此，在直流線圈的兩端并聯一個二極管或RC吸收電路，在交流線圈的兩端并聯一個壓敏電阻，以吸收線圈失電后產生的電壓峰值。如果接觸器線圈電源與輔助電源的輸人電源相同，最好通過EMI濾波器。繼電器觸點也會產生電磁干擾，因此在觸點兩端增加RC吸收電路。

3.7開關電源箱結構電磁兼容設計

1)開關電源箱結構設計中的材料選擇，屏蔽材料的原則是干擾電磁場頻率高，屏蔽效果好；干擾電磁場頻率低時，屏蔽效果好；在某些情況下，如果要求高頻、低頻電磁場具有良好的屏蔽效果，通常采用高電導率、高磁導率的金屬材料。

2)孔。間隙。采用電磁屏蔽方法，無需重新設計電路，即可達到良好的電磁兼容效果。理想的電磁屏蔽是一個無縫的。無孔。無滲透的導電連續體，低阻抗的金屬密封，但開關電源需要輸入。輸出線穿孔。冷卻通風孔等，以及箱體結構部件之間的搭接間隙，如果不采取措施，這些孔和間隙將導致電磁泄漏，降低箱體的屏蔽效率。甚至完全喪失。因此，在開關電源箱的設計中，最好焊接金屬板之間的搭接，使用電磁墊或其他屏蔽材料；箱上的孔徑小于屏蔽電磁波波長的1/2，否則屏蔽效果將大大降低；對于通風孔，當屏蔽要求不高時，可使用穿孔金屬板或金屬絲網，不僅要求屏蔽效率高，而且要求通風效果好，以提高屏蔽效率。如果箱體的屏蔽效率仍然不能滿足要求，可以在箱體上噴涂屏蔽漆。除了屏蔽整個開關電源箱外，還可以局部屏蔽電源設備中的部件、部件等干擾源或敏感設備。

3）在設計箱體結構時，應設計低阻抗電流泄漏路徑，箱體必須有可靠的接地措施，保證接地線的載流能力。同時，敏感電路或部件應遠離這些泄漏電路或電場屏蔽措施。對于結構件的表面處理，一般需要的表面處理，一般需要鍍銀、鋅、鎳、鉻、錫等。具體來說，應考慮導電性、電化學反應、成本和電磁兼容性。

3.8元件布局與布線中的電磁兼容設計

對于開關電源設備內部部件的布局，必須考慮電磁兼容性的要求。設備內部的干擾源會通過輻射和串擾影響其他部件或部件的正常工作。研究表明，干擾源的能量在一定距離內會大大衰減。因此，合理的布局有利于減少電磁干擾的影響。

EML輸入輸出濾波器最好安裝在金屬機箱的入口和出口處，以確保輸入和輸出線的屏蔽隔離。

遠離熱源的敏感電路或部件。

開關電源產品一般應遵循以下布線原則。

1)主電路輸入線與輸出線分開。

2)EMI濾波器輸入線與輸出線分離。

3)主電路線與控制信號線分開。

4)高壓脈沖信號線最好分開。

5)分開布線避免平行布線，可垂直交叉，線束間距超過20mm。

6)電纜不應與金屬外殼和散熱器接線，以確保一定距離。

7)EMC設計中使用雙絞線。

(1) 雙絞線，同軸電纜能有效抑制脈沖信號傳輸線路中常用的電磁干擾，控制輔助電源線和傳感器信號線最好使用雙絞線屏蔽線。由于雙絞線之間的電路面積很小，雙絞線每兩個相鄰電路上感應的電流大小相等。相反的方向，產生的磁場相互抵消，從而減少輻射造成的模具差干擾，但雙絞線的圈數最好為偶數，每個單位的波長越多，消除耦合的效果越好。使用時，注意雙絞線和同軸電纜兩端不能同時接地，只能單端接地，屏蔽層兩端接地可以屏蔽電場和磁場，單端接地只能屏蔽電場。使用同軸電纜時，還應注意其屏蔽層必須完全覆蓋信號線接地，即接頭和電纜屏蔽層必須為360。重疊，以有效屏蔽電磁場，如圖8所示，信號線的裸露部分仍能與外界形成相容耦合，降低屏蔽效率。

(2) 帶狀電纜適用于短距離信號傳輸。為了減少差模信號的電磁輻射，必須減少信號線和信號回流線形成的回路面積。因此，在設計帶狀電纜布局時，最好將信號線與接地線隔開。如圖9所示，S為信號線，G為信號線。

3.9元件的選擇

傳熱有三種方式，即傳導、對流和輻射。熱輻射以電磁波的形式傳播到空間，熱傳導也會傳遞到周圍其他部件，影響其他部件或電路的正常運行，因此，從部件熱設計考慮盡可能留下大量的余量，以降低部件的溫升和表面溫度，除了部件對溫升的特殊要求外，一般開關電源要求內部部件溫度小于90℃，內部環境溫度不超過65℃，以減少4。熱輻射干擾。

對于數字集成電路，從電磁兼容性的角度來看，應選擇高噪聲容量的CMOS設備，而不是低噪聲容量的TTL設備。

盡量使用低速、窄帶元件和電路。

選用分布電感小的表面貼裝元件(SMD)，選用高頻特性好、等效串聯電感低的陶瓷介質電容器、高頻無感電容器、三端電容器、穿心電容器等。

3.10控制電路及PCB電磁兼容設計

信號地面是指信號電流回到信號源的低阻抗路徑。在設計中，地環干擾和公共阻抗耦合干擾往往是由于接地方法不當造成的。因此，應合理選擇接地方法。接地方法包括單點接地、多點接地和混合接地。

1)地環干擾通常發生在通過長電纜連接的設備上。原因是由于地環電流的存在，兩種設備的地電位不同。光電耦合器或隔離變壓器通常用于地面隔離，以消除地環干擾。由于隔離變壓器繞組之間的寄生電容較大，即使采取屏蔽措施的隔離變壓器通常也只用于1MHz以下的信號隔離，超過LMHz時，光電耦合器通常用于隔離。

2）當兩個電路的地電流通過一個公共阻抗時，公共阻抗耦合就會發生。由于地線是信號回流線，一個電路的工作狀態必然會影響地線電壓。當兩個電路共用一段地線時，地線的電壓也會受到兩個電路工作狀態的影響。

可以看出，地環干擾和公共阻抗耦合都是由地線阻抗引起的。因此，在設計中必須考慮盡量減少地線阻抗和感應阻抗。

3）減少控制電源噪聲電源線上的電流突變，產生噪聲電壓。在芯片附近增加解耦電容可以有效降低噪聲。如果是高頻電流負載，則多個相同容量的高頻電容器和無感應電容器并聯可以獲得更好的效果。請注意，電容量越大越好，脈沖電流頻率主要根據其諧振頻率進行選擇。

4)印刷板的合理布線將有效降低印刷板的輻射，提高其抗輻射干擾能力。請注意以下幾點。

(1)布置地線網絡，即雙面板兩側平行地線布置最多。

(2)對于一些關鍵信號(如脈沖信號和對外界敏感的電平信號)，必須盡量減少引線長度和信號回流面積。如果是雙面板，地線和信號線可以在印刷板兩側并行行走。

(3)如果多層電路板既有數字又有模擬，則必須在同一層布置數字和模擬，以減少它們之間的耦合干擾。

(4)公共阻抗耦合經常發生在實際電路中，因此應根據實際情況選擇正確的接地方式。

4.結語

本文詳細分析了隔離DC/DC變換器的電磁干擾源及其生成機制，并詳細介紹了其主電路和控制電路的電磁兼容設計方法，對其他電子產品的電磁兼容設計具有一定的參考價值。