开关电源的电磁兼容问题简析

2万 · 2013-9-12 23:55

一 : 前序
电子产品间会通过传导或者辐射等途径相互干扰，导致电子产品不能正常工作。因此，电磁兼容在电源产品设计中处于非常重要的地位，若处理不当会带来很多麻烦。
开关电源是一个很强的骚扰源，这是由于开关管以很高的频率做开关动作，由此会产生很高的开关噪声，从而会从电源的输入端产生差模与共模干扰信号。同时，开关电源中又有很多控制电路，很容易受到自身和其他电子设备的干扰。所以，EMI和EMS问题在电源产品中都需要重视。
然而对于一个电源系统内有多个子系统的场合，多个子系统之间的电磁兼容问题就更加尖锐。由于电源产品体积的限制，多个子系统在空间上一般都比较靠近，而且通常是共用一个输入母线，因此，互相之间的干扰会更加严重。所以，这类电源系统除了要防止对其他电源系统和设备的干扰，达到政府制定的标准外，还要考虑到电源系统内部子系统之间的相互干扰问题，不然将会影响到整个系统的正常运行。
下面以一个军用车载电源为例，阐述了在设计中应注意的原则，调试中出现的问题，解决的方案，以及由此得到的经验。
二: 电气规格和基本方案
1.1 电气规格
如图1所示。由于是车载电源，所以该电源系统的输入为蓄电池，电压是9～15V。输出供辐射仪，报警器，侦毒器，打印机，电台，加热等6路负载。其电压有24V，12V，5V3种，要求这3种电压电气隔离并且具有独立保护功能。

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1.2 基本方案
12V输出可以直接用蓄电池供电，因此，DC/DC变换系统只有24V和5V两路输出。由于要有独立保护功能，并且调整率要求也非常高，所以，采用两个独立的DC/DC变换器的方案。24V输出200W，采用RCD复位正激变换器；5V输出30W，采用反激变换器。图2给出了该方案的主电。

(b) 反激变换器
图2 基本方案的主电路

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三:布局上的考虑
因为，有两路变换器放在同一块PCB上，所以，布局上需要考虑的问题更加多。
1）虽然在一块PCB上，但是，两个变换器还是应该尽量地拉开距离，以减少相互的干扰。所以，正激变换器和反激变换器的功率电路分别在PCB的两侧，中间为控制电路，并且两组控制电路之间也尽量分开。
2）主电路的输入输出除了电解电容外，再各加一颗高频电容（CBB电容），并且该电容尽量靠近开关和变压器，使得高频回路尽量短，从而减少对控制电路的辐射干扰。
3）该电源系统控制芯片的电源也是由输入电压提供，没有另加辅助电源。在靠近每个芯片的地方都加一个高频去耦电容（独石电容）。此外，主电路输入电压和芯片的供电电压是同一个电压，为了防止发生谐振，最好在芯片的供电电压前加一个LC滤波或RC滤波电路，隔断主电路和控制电路之间的传导干扰。
4）为了减少各个控制芯片间的相互干扰，控制地采用单点信号地系统。控制地只通过驱动地和功率地相连，也就是控制地只和开关管的源极相连。但是，实际上驱动电路有较大的脉冲电流，最好的做法是采用变压器隔离驱动，让功率电路和控制电路的地彻底分开。

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四 : 调试中出现的问题及解决办法
该电源系统在调试过程中出现了以下问题：正激变换器和反激变换器在单独调试的时候非常正常，但是，在两路同时工作时却发生了相互之间的干扰，占空比发生振荡，变压器有啸叫声。
这个现象很明显是由两路变换器之间的相互干扰造成的。为了寻找骚扰源而做了一系列的实验，最终证实是由两路主电路之间的共模干扰引起振荡的。具体的实验过程过于繁琐，在这里就不描述了。
这些问题的解决方法有很多种。下面给出几种当时采用的解决方案，以及提出一些还可以采用的方案。
1）在每个变换器的输出侧加共模滤波器这样不仅可以减小对负载的共模干扰，并且对自身的控制电路也有好处。因为，输出电压经过分压后要反馈到控制电路中，如果输出电压中含有共模干扰信号，那么控制电路也会由此引入共模干扰信号。所以，在变换器的输出侧加共模滤波器是非常有必要的，不仅减小对负载的共模干扰，还会减小对控制电路的共模干扰。

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2）在反激变换器和正激变换器之间加一个共模滤波器这样可以减少两路变换器主电路之间的传导干扰。因为，反激侧差模电流较小，所以，将共模滤波器放在反激侧，如图3所示。另外，为了防止两路电源之间的相互干扰，共模滤波器设计成π型，这样从每一边看都是一个共模滤波器。

图3 EMI共模滤波器
3）将反激变压器绕组的饶法改成原—副—原—副—原—副的多层夹层饶法采取该措施后变压器原副边的耦合更加紧密，使漏感减小，开关管上电压尖峰明显降低。同时共模骚扰源的强度也随之降低。在不采用解决方案2）时，采用本方案也解决了问题。而且，这种方法从根源上改善了电磁兼容性能，且绕组的趋肤效应和层间效应也都会改善，从而降低了损耗。但是，这种绕法是以牺牲原副边的绝缘强度为代价的，在原副边绝缘要求高的场合并不适用。

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4）减慢开关的开通和关断速度这样开关管上的电压尖峰也会降低，也能在一定程度上解决问题。但是，这是以增加开关管的开关损耗为代价的。
5）开关频率同步两路变换器的工作频率都是100kHz，但是，使用两个RC振荡电路，参数上会有离散性，两个频率会有一定偏差。这样两路电源可能会产生一个拍频引起振荡。所以，也尝试了用一个RC振荡电路，一个PWM芯片由另一个PWM芯片来同步，这样可以保证严格的同频和同时开通，对减少两路电源之间的干扰会有一定好处。在这个电源系统中，采用的PWM芯片是ST公司的L5991芯片，可以非常方便地接成两路同步的方式，如图4所示。

图4 两片PWM芯片的同步
6）在二极管电路中串联一个饱和电感，减小二极管的反向恢复，从而减小共模干扰源的强度在电流大的时候，饱和电感由于饱和而等效为一根导线。在二极管关断过程中，正向电流减小到过零时，饱和电感表现出很大的电感量，阻挡了反向电流的增加，从而也减小了二极管上电压尖峰。从电磁兼容的角度讲，是减小了骚扰源的强度。用这种方法抑制二极管的反向恢复也会造成一定的损耗，但是，由于使用的电感是非线形的，所以，额外损耗相对RC吸收来说还是比较小的。

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图5（a）是正激变换器在没有加饱和电感时续流二极管DR2的电压波形，较高的振荡电压尖峰是很强的骚扰源。图5（b）是正激变换器在加了饱和电感后的二极管电压波形，电压尖峰明显降低，从而大大减弱了该骚扰源的强度。

7)对反激变换器的主开关加电压尖峰吸收电路尽管反激变压器绕组的饶法有很大的改进，漏感已减小。但是，由于反激变换器的变压器不是一个单纯的变压器，而是变压器和电感的集成，所以，要加气隙。加气隙后的变压器的漏感相对来说还是比较大的。若不加吸收电路，开关管上电压尖峰会比较高，这不仅增加了开关管的电压应力，而且也是一个很强的骚扰源。

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图6给出了反激变换器的吸收电路。R1，C1，D组成了RCD钳位吸收电路，它可以很好地吸收变压器漏感和开关管结电容谐振产生的电压尖峰。图7(a)是没有加吸收电路时，开关管上漏—源电压波形，有很高的电压尖峰。图7(b)是加了RCD吸收电路时，开关管上漏—源电压波形，电压尖峰已大大降低。但是，将图7(b)振荡部分放大看，如图7(c)所示，可以发现，又出现了一些更细的振荡电压。该振荡电压是由于漏感和二极管D的结电容谐振产生的，靠 RCD电路已经无法将其吸收（R2，C2）。所以，又在开关管的漏 — 源两端加了RC吸收电路（R2，C2），进一步吸收由于漏感和二极管 D的结电容谐振产生的电压尖峰。吸收后的波形如图 7(d)所示。

2万 · 2013-9-12 23:56

8）采用软开关电路上述解决方案1）－6）是在不改变现有电路拓扑的前提下降低电磁干扰所采用的方案。其中1）－2）是采用切断耦合途径的方法；3）－6）是减弱骚扰源的方法。实际上，在选择电路拓扑时就可以考虑有利于EMC的拓扑，这样就不容易产生上面的问题。其中采用控制性软开关拓扑就是一个很好的选择。选用控制性软开关拓扑（例如移相全桥变换器、不对称半桥变换器、LLC谐振变换器[4]），不仅可以减少开关损耗，而且可以降低电压尖峰，从而减弱骚扰源的强度。但是，采用缓冲型的软开关拓扑，不仅增加了很多附加电路，并且从降低EMI角度来说也不一定有优势，因为，大多数缓冲型软开关拓扑将原先的振荡能量转移到附加的电路上了，还是会产生很强的EMI。
五: 总结
由于在空间上一般都比较靠近，而且，通常是共用一个输入母线，所以，在内部有多个子系统的电源系统中，多个子系统电源之间的电磁兼容问题非常尖锐。在选择电路拓扑时应尽量选用控制性软开关拓扑。在设计PCB板时应该注意多个子系统的位置关系和地线的安排。当电路中出现电压尖峰时，可采用RCD或者RC等吸收电路。对于二极管的反向恢复问题，可以采用串联饱和电感的方法来解决。在必要的时候还可以加合适的EMI滤波器来隔断干扰的耦合途径。