開(kāi)關(guān)電源通過(guò)改變開(kāi)關(guān)器件的導通比來(lái)有效地控制輸出電壓和電流的大小。通常它在幾十kHz以上的開(kāi)關(guān)頻率下工作，當開(kāi)關(guān)導通時(shí)，它將流過(guò)浪涌電流Cdv/dt；當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，其兩端將會(huì )產(chǎn)生浪涌電壓Ldi/dt，形成較強的電磁騷擾源。隨著(zhù)半導體開(kāi)關(guān)器件的不斷發(fā)展，開(kāi)關(guān)頻率將提高到MHz數量級，使電磁騷擾更加嚴重。因此，必須采用相應的措施，加強開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容性（EMC）。

    電磁兼容性是指在不損失有用信號所包含信息的條件下，信息和干擾共存的能力。電力電子裝置在其使用環(huán)境下，承受來(lái)自外部電磁干擾的同時(shí)也向周?chē)h(huán)境釋放干擾。在設計制造電力電子裝置時(shí)，應考慮到電力電子裝置在工作時(shí)所產(chǎn)生的電磁騷擾不對在同一環(huán)境中工作的其它電子設備的運行產(chǎn)生**影響，同時(shí)來(lái)自外部環(huán)境的電磁干擾又不會(huì )影響電力電子裝置的工作。

1    Buck系統的電磁干擾

    以下結合Buck變換器來(lái)具體討論電磁干擾產(chǎn)生的原因和條件，從而找出抑制和消除的方法。圖1是Buck變換器的原理結構圖。

圖1    Buck原理結構圖

    主電路主要由功率開(kāi)關(guān)管S、肖特基二極管D、濾波電容C、電感L、阻性負載Ro以及無(wú)感采樣電阻RL組成。此電路的基本參數是輸入端為36V鉛酸蓄電池，輸出要求為10A恒流，開(kāi)關(guān)頻率為50kHz?？刂菩酒捎?/span>SG3525，驅動(dòng)芯片采用TLP250。輔助電源采用反激。主電路選擇合適的閉環(huán)參數是重要的一步，合適的閉環(huán)參數可以使電路穩定，產(chǎn)生較小的EMD。

    圖2是該系統的電磁兼容性示意圖，結合此圖分析系統所處的電磁環(huán)境及其相互作用的情況。顯然，電磁干擾既可發(fā)生在系統內部，又有可能發(fā)生在系統之間。

圖2    系統的電磁兼容性示意圖

    從圖2中可以看出，任何一種EMI均由三部分組成：騷擾源、耦合路徑和受擾體。騷擾源產(chǎn)生的干擾經(jīng)耦合途徑進(jìn)入受擾體，若干擾水平超出受擾體的敏感程度就會(huì )影響其正常工作而構成干擾。與數字電路相比，由于開(kāi)關(guān)電源功率開(kāi)關(guān)管的高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，它產(chǎn)生的干擾強度較大；騷擾源主要集中在功率開(kāi)關(guān)器件以及與之相連的高頻變壓器上；開(kāi)關(guān)頻率不高，主要干擾形式是傳導干擾和近場(chǎng)干擾。一般解決EMD針對3方面：抑制騷擾源、切斷干擾途徑和提高受擾體的抗干擾能力。

    由此可知Buck的主要騷擾源是開(kāi)關(guān)管和功率二極管。由于開(kāi)關(guān)頻率較高，傳輸的能量又大，故在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生很高的毛刺。

    由于設計的開(kāi)關(guān)電源的幾何尺寸遠小于30MHz電磁場(chǎng)對應的波長(cháng)，因此，電磁干擾主要考慮的是傳導干擾。MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的電壓尖峰和振蕩主要通過(guò)導線(xiàn)寄生電感和寄生電容干擾受擾體，開(kāi)關(guān)過(guò)程越快，尖峰越高，振蕩越明顯，干擾越強。

2    電磁干擾的抑制措施

    主要從濾波、接地、吸收、PCB布板幾個(gè)方面進(jìn)行分析和設計。

2.1    濾波

    由于電池存在一定的內阻抗，再加上入端引線(xiàn)上的寄生電感和內阻，將在輸入端引起一系列的高頻紋波。為了使輸入端成為滿(mǎn)足要求的恒壓源，需在電路進(jìn)線(xiàn)端加上EMI濾波器，既抑制了外界對電路的干擾，也阻止了電路對電池的干擾。通常，在入端并聯(lián)電解電容和濾高頻紋波的電容。電解電容主要濾低頻紋波，濾高頻紋波的電容采用CBB電容。

    由于輸出端對電流波形的要求，必須減小輸出紋波的大小，因此，也需要在輸出端并聯(lián)大容量的電解電容和較大容量的濾高頻紋波的CBB電容。

    另外，需要對集成芯片的去耦濾波電容進(jìn)行科學(xué)的配置。每塊集成芯片都接有去耦濾波電容器，在每次開(kāi)關(guān)過(guò)程中都重新充電，以便為芯片供電，去耦電容器的取值一般在470pF～1000pF，采用瓷片或者是CBB電容，用于濾除高次紋波。去耦濾波電容器必須緊靠集成電路安裝，力求*短的電容器引線(xiàn)和*小的瞬態(tài)電流回路面積。同時(shí)要在整個(gè)集成芯片的PCB板上放置總體去耦電容器，由電源來(lái)對它充電，并應安裝在電源母線(xiàn)進(jìn)入PCB板的地方。

圖3 采樣電流的波形

    系統中*易受干擾的是電流采樣電阻，而采樣電流的精度將直接影響電路的輸出指標。采樣電流的波形如圖3所示。由于采樣電阻受到開(kāi)關(guān)管導通和關(guān)斷的干擾，所以，需要對采樣電阻上的信號進(jìn)行濾波，此電路中利用的RC二階無(wú)源濾波，電路如下圖4所示。

圖4    二階RC無(wú)源濾波電路

2.2    接地

    一個(gè)系統的接地主要有**地、信號地、機殼地和屏蔽地。這里只討論本系統的公共地的連接方法。

1)  接地系統須具有很低的公共阻抗，使系統中各路電流，通過(guò)該公共阻抗產(chǎn)生的直接傳導噪聲電壓*小。

2）在高頻電流的場(chǎng)合，保證“信號地”對“大地”有較低的共模電壓，使通過(guò)“信號地”產(chǎn)生的輻射噪音*低。

3）保證地線(xiàn)與信號線(xiàn)構成的電流回路具有*小的面積，避免由地線(xiàn)構成“地回路”，使外界干擾磁場(chǎng)穿過(guò)該回路產(chǎn)生的差模干擾電壓*小，同時(shí)，也避免由地電位差通過(guò)地回路引起過(guò)大的地電流，造成傳導干擾。

    本系統中采用混合接地和浮空接地方式。主功率采用浮地方式，以便減小公共阻抗和大電流的通過(guò)?？刂葡到y內部先串聯(lián)接地，然后再單點(diǎn)與主功率地連接。驅動(dòng)電路則采用光耦隔離技術(shù)來(lái)驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管的導通和關(guān)斷。

2.3    緩沖

    在采用了以上措施后，發(fā)現MOSFET的開(kāi)關(guān)過(guò)程中毛刺仍然較高，這是由于電路中流過(guò)的電流比較大，很小的寄生電感也能引起很大的毛刺。

    緩沖電路的目的是對開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生的瞬態(tài)噪聲進(jìn)行抑制。采用的是在開(kāi)關(guān)管兩端并上R—C—D網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行抑制，它可以減緩開(kāi)關(guān)管的漏極和源極之間的電壓上升率，如圖5所示。

圖5    R—C—D吸收電路

    通過(guò)給開(kāi)關(guān)管加緩沖電路后，可以得到比較理想的開(kāi)關(guān)波形，如圖6所示。

圖6    開(kāi)關(guān)管vDS波形

    在關(guān)斷過(guò)程中由于功率二極管會(huì )有反向恢復，這是一個(gè)重要的騷擾源。

    RC緩沖電路是解決功率二極管反向恢復問(wèn)題的常用方法。在高頻下工作的功率二極管，要考慮寄生參數。圖7(a)為電路模型，其中D0為理想二極管，Lp為引線(xiàn)電感，Cp為結電容，Rp為并聯(lián)電阻（高阻值），Rs為引線(xiàn)電阻。如圖7(b)所示，將電容C和電阻R串聯(lián)后并聯(lián)到功率二極管D上。二極管反向關(guān)斷時(shí)，寄生電感中的能量對寄生電容充電，同時(shí)還通過(guò)緩沖電阻R對緩沖電容C充電。在同樣能量的情況下，緩沖電容越大，其上的電壓就越??；當二極管正向導通時(shí)，C通過(guò)R放電，能量絕大部分在R上消耗。

                    （a）等效模型            （b）RC緩沖電路

圖7    功率二極管等效模型及RC緩沖電路

    通過(guò)在功率二極管上并R—C緩沖電路后，可以得到比較理想的開(kāi)通和反向關(guān)斷波形，如圖8所示。

圖8    功率二極管上的波形

2.4    PCB布板

    印刷電路板上元器件的放置和布線(xiàn)設計對開(kāi)關(guān)電源EMC性能有極大的影響，在高頻開(kāi)關(guān)電源中，由于印刷板上既有低電平的小信號控制線(xiàn)，又有高壓大電流電源線(xiàn)，同時(shí)還有一些高頻功率開(kāi)關(guān)、磁性元件。如何在印刷板有限的空間內合理地安排元器件位置，以及合理地布線(xiàn)將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和電路工作的可靠性。

    通過(guò)分析印刷導線(xiàn)的特性阻抗，合理地選取布線(xiàn)的放置方式、長(cháng)度、寬度以及總體布局。單根導線(xiàn)的特性阻抗由直流電阻R和自感L組成。

Z=R＋jωL（1）

L=2lln（2）

式中：l為印刷導線(xiàn)的長(cháng)度；b為印刷導線(xiàn)的寬度。

    可以看出印刷線(xiàn)l越短，直流電阻R越小，自感L也就越??；同時(shí)增加印刷線(xiàn)的寬度也可以降低直流電阻R和自感L。

    多根印刷線(xiàn)的特性阻抗除了直流電阻R和自感L以外，還有互感M。

M=2l       （3）

式中：s為兩線(xiàn)之間的距離。

    由以上分析可知，在設計印刷電路板時(shí)，應盡量降低電源線(xiàn)和地線(xiàn)的阻抗。因電源線(xiàn)、地線(xiàn)和其它印刷線(xiàn)都有電感，當電源電流變化較大時(shí)，會(huì )產(chǎn)生較大壓降，而地線(xiàn)壓降是形成公共阻抗干擾的重要因素，所以應盡量縮短地線(xiàn)，盡量加寬電源線(xiàn)和地線(xiàn)。

    直流供電系統的實(shí)際等效電路如圖9所示。

圖9    直流供電系統等效電路

    直流供電電路中產(chǎn)生的瞬態(tài)噪聲電壓，起源于電源負載電流的突變Δi_L。該電流變化是瞬時(shí)的，則因之產(chǎn)生的瞬變電壓的幅值Δu_L是電源供電傳輸線(xiàn)特征阻抗Z₀的函數。

Z₀=  （4）

Δu_L=Δi_LZ₀（5）

    為了減小Δu_L，必須使得Z₀盡量低，由式（4）可知，要求L_t盡量小，C_t盡量大。為了減小L_t和增大C_t，供電母線(xiàn)應用矩形截面的導線(xiàn)，并使兩條母線(xiàn)盡量靠近，用兩條盡量寬的扁平印刷線(xiàn)。由于使用的是雙面印刷板，電源線(xiàn)和地線(xiàn)平行布線(xiàn)，使兩條功率線(xiàn)流過(guò)的電流方向相反，可以有效地減小感應磁通。同時(shí)也將其它正、負信號線(xiàn)分別布在印刷板的兩面，設法使兩個(gè)載流體導線(xiàn)彼此間保持平行，因為平行緊靠的正、負載流體導體所產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)是趨向于相互抵消的。

    對于元器件的放置，由于開(kāi)關(guān)電源的輻射干擾（E）與電流通路中電流（I）的大小，通路的環(huán)路面積（A），以及電流頻率（f）的平方等三者的乘積成正比，即E=I·A·f²。運用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠小于頻率的波長(cháng)（此電路符合條件）。

    利用上述關(guān)系式，減小通路面積是減小輻射干擾的關(guān)鍵。在此Buck電路中，應該使輸入端電容、開(kāi)關(guān)管、功率二極管彼此緊靠，且布線(xiàn)緊湊；同時(shí)使輸出端功率二極管、電感、輸出電容、采樣電阻彼此緊靠。

    另外，在布線(xiàn)時(shí)使開(kāi)關(guān)管的漏極連線(xiàn)盡量短、粗，以減小導線(xiàn)的寄生電感。選擇合適的濾高頻電容（樣機中使用了CBB電容），并使其盡量靠近MOSFET的漏極，電容引線(xiàn)盡量短，以減小導線(xiàn)電感。

    根據以上的分析所得出的原則，實(shí)際設計的樣機主功率PCB板如圖10所示。

圖10    Buck電路的PCB板

3    結語(yǔ)

    開(kāi)關(guān)電源電磁兼容設計的目的，就是使所設計的產(chǎn)品不但能在一定的電磁干擾環(huán)境中正常工作，而且也使產(chǎn)品自身所產(chǎn)生的電磁騷擾不影響其它設備的工作。本文通過(guò)各個(gè)方面的分析，總結出設計Buck電路電磁兼容的原則，并依此原則制造出試驗樣機，從而在實(shí)踐的基礎上說(shuō)明了這些原則的可行性和正確性，為以后開(kāi)關(guān)電源的電磁兼容設計提供了很好的經(jīng)驗。