隔离式DC／DC变换器的电磁兼容设计

　　引言

　　随着电力电子技术的发展，开关电源模块以其相对体积小、效率高、工作可靠等优点而逐渐取代传统整流电源。但是，由于开关电源工作频率高，内部会产生很高的电流、电压变化率(即高dv/dt和di/df)，导致开关电源模块产生较强的电磁干扰，并通过传导、辐射和串扰等耦合途径影响自身电路及其它电子系统的正常工作，当然其本身也会受到其它电子设备电磁干扰的影响，电磁干扰将造成传输信号畸变，影响电子设备的止常工作。对于雷电、静电放电等高能量的电磁下扰，严重时会损坏电子设备。而对于某些电子设备，电磁辐射会引起重要信息的泄漏，严重时会威胁国家信息安全。这就是我们所讨论的电磁兼容性问题。另外，国家开始对部分电子产品强制实行3C认证，因此，一个电子设备能否满足电磁兼容标准，将关系到这一产品能否在市场上销售，所以，进行开关电源的电磁兼容性研究显得非常重要。

　　1 内部噪声干扰源分析

　　l.l 二极管厦向恢复引起的噪声干扰

　　在开关电源中常使用工频整流二极管、高频整流二极管、续流二极管等，由于这些二极管都工作在开关状态，如图l所示，在二极管由阻断状态到导通的转换过程中，将产生一个很高的电压尖峰UFP;在二极管由导通状态到阻断的转换过程中，存在一个反向恢复时间trr在反向恢复过程中，由于二极管封装电感及引线电感的存在，将产生一个反向电压尖峰URP由于少子的存储与复合效应，会产生瞬变的反向恢复电流尖峰IRP,这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根源。

　　1.2 开关管开关时产生的电磁干扰

　　在正激式、推挽式、桥式变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似矩形波，含有丰富的高频成分，这些高频谐波会产生很强的电磁干扰。在反激变换器中，流过开关管的电流波形在阻性负载时近似三角波，高次谐波成分相对较少。开关管在开通时，由于开通时间很短以及逆变回路中引线电感的存在，将产生很大的dv/dt和很高的尖峰电压，在开关管关断时，由于关断时间很短，将产生很大的di/dt和很高的电流尖峰，这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰。

　　1.3 电感、变压器等磁性元件引起的电磁干扰

　　在开关电源中存在输入滤波电感、功率变压器、隔离变压器、输出滤波电感等磁性元件，隔离变压器初次级之间存在寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容耦合到次级;功率变压器由于绕制工艺等原因，原、次级耦合不理想而存在漏感，漏感将产生电磁辐射干扰，另外，功率变压器线圈绕组流过高频脉冲电流，在周围形成高频电磁场;电感线圈中流过脉动电流会产生电磁场辐射，而且在负载突切时，会形成电压尖峰，同时，当它工作在饱和状态时，将会产生电流突变，这些都会引起电磁干扰。

　　l.4 控制电路引起的电磁干扰

　　控制电路中周期性的高频脉冲信号，如振荡器产生的高频脉冲信号等将产生高频高次谐波，对周围电路产生电磁干扰。

　　l.5 其他电磁干扰

　　电路中还会有地环路干扰、公共阻抗耦合干扰，以及控制电源噪声干扰等。另外，不合理的布线将使电磁干扰通过线线之间的耦合电容和分布互感串扰或辐射到邻近导线上，从而影响其它电路的正常工作。还有热辐射产生的电磁干扰，热辐射是以电磁波的形式进行热交换，这种电磁干扰会影响其它电子元器件或电路的正常稳定工作。

　　2 外界的电磁干扰

　　对于某一电子设备，外界对其产生影响的电磁干扰包括电网中的谐波干扰、雷电、太阳噪声、静电放电以及周围的高频发射设备。

　　3 开关电源的电磁兼容设计

　　进行开关电源的电磁兼容性设汁时，首先要明确系统需要满足的电磁兼容标准;确定系统内的关键电路，包括强干扰源电路、高度敏感电路;明确电源设备工作环境中的电磁于扰源及敏感设备;然后确定对电源设备所要采取的电磁兼容性措施。因此，开关电源的电磁兼容设计主要从以下3个方面入手：

　　1)减小干扰源的电磁干扰能量;

　　2)切断干扰传播途径;

　　3)提高受扰设备的抗干扰能力。

　　下面以隔离式DC/DC变换器为例，讨论开关电源的电磁兼容性设计。

　　3.1 DC/DC变换器输入电路的电磁兼容设计

　　如图2所示，FV1为瞬态电压抑制二极管RV1为压敏电阻，都具有很强的瞬变浪涌吸收能力，能很好地保护后级元器件或电路免遭浪涌电压的破坏。Z1为直流EMI滤波器，必须良好接地接地线要短，最好直接安装在金属外壳上，还要保证其输入、输出线之间的屏蔽隔离，才能有效地切断传导干扰沿输入线的传播和辐射干扰沿空间的传播。L1及C1组成低通滤波电路，当L1电感值鞍大时，还须增加如图2所示的D1和R1，形成续流回路，吸收L1断开时释放的电场能量，否则，L1产生的电压尖峰就会形成电磁干扰，电感L1所使用的磁芯最好为闭合磁芯，带气隙的开环磁芯的漏磁场会形成电磁干扰，C1的容量较大为好，这样可以减小输入线上的纹波电压，从而减小在输入导线周围形成的电磁场。

　　3.2 高频逆变电路的电磁兼容设计

　　如图3所示，C2、C3、V2、V3组成的半桥逆变电路，V2、V3为lGBT或M0SFET等开关器件，在V2、V3开通和关断时，由于开关时间很短以及引线电感、变压器漏感的存在，回路会产生较高的di/dt、dv/dt，从而形成电磁干扰，为此，在变压器原边两端增加R4、C4构成的吸收回路，或在V2、V3两端分别并联电容器C5、C6，并缩短引线，减小a—b、c—d、g—h、e—f的引线电感。在设计中，G4C5、C6。一般采用低感电容，电容器容量的大小取决于引线电感量、同路中电流值以及允许的过冲电压值的大小，由LI2/2=C△V2/2求得C的大小(L为回路电感，I为回路电流，△V为过冲电压值)。