军用车载DC-DC开关电源EMC设计分析

军用车载DC-DC开关电源EMC设计分析

周翔朱润贵易冬琴陈海鹏杨鑫鹏

（长沙竹叶电子科技有限公司湖南省长沙410000）

摘要：随着民用汽车上成熟稳定的电子配置越来越多，功能越来越完善便捷，军用汽车也逐步加入了民车中时尚的电子元素，而作为军用汽车，由于其使用场合与民用汽车有很大差别，并且常会在车上外接一些特殊的军用设备，如军用电台等，因此，军用汽车上会装备一种ＤＣ－ＤＣ开关电源，为军用外接设备供电。基于此，本文主要对军用车载DC-DC开关电源EMC设计进行分析探讨。

关键词：军用车载；DC-DC开关电源；EMC设计分析

1、前言

电磁兼容（EMC）指标是整车ＶＴＳ指标中的重要组成部分，为保障整车通过EMC试验，车内各电子电器零部件均需满足相应的EMC性能。军车作为系统级产品，需通过ＧＪＢ１３８９Ａ中陆军地面系统所规定的EMC试验；而作为车辆来说，军车还需通过国家规定的相关法规要求。因此，作为军用车载电子电器零部件，既要满足ＧＪＢ１５１Ｂ中陆军地面分系统所规定的EMC试验，同样也要达到整车厂关于汽车零部件的各项EMC指标。这就对军用车载电子产品的EMC性能提出了更高的要求。

2、开关电源电磁干扰机理与抑制措施

开关电源的开关器件应用较多的是MOSFET和GIBT。其在关断时会产生较大的电压、电流变化率。开关电源中的开关器件在关断时，电压/电流的变化率较大，会造成较大干扰。为抑制开关电源的干扰，必须了解干扰源所产生噪声信号的频谱特性。

2.1开关电源噪声源分析

2.1.1功率开关管

一般来说，功率开关管及其散热片与设备外壳和电源内部的引线间存在着分布电容。当开关管频繁导通和关断时，会有矩形波的形成，这种矩形波含有丰富的高频成分。由于开关管的存储时间、输入输出电容、整流二极管的反向恢复时问等，会造成很大的尖峰电流，当其流经变压器和电感产生的电磁场都可能形成噪声源，甚至可以击穿开关管。

2.1.2高频变压器

当原导通开关管关断时，高频变压器的漏感所产生的反电动势E=－LP•di/dt，其值与集电极的电流变化率成正比，与漏感成正比，迭加在关断电压上，形成关断电压尖峰，从而形成传导干扰。它既影响其他设备的安全和经济运行，也影响自身的工作。开关电源中的变压器作用是：隔离与储能。在高频情况下，其隔离不完全，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声易在初次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周围产生的电磁场更容易在其他引线上耦合形成噪声。

2.1.3整流二极管

在输出整流二极管截止时有一个反向电流，其恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流恢复到零点的二极管称为硬恢复二极管。它会在变压器漏感和其他分布参数的影响下产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。PN型硅二极管用作高频整流时，正向电流蓄积的电荷在加反向电压时不能立即消除，只要这个反向电流恢复时的电流斜率过大，流过变压器线圈的电感就会产生尖峰电压。

2.1.4电容、电感器和导线

开关电源由于工作在较高频率，会使低频元器件特性发生变化，如电路中的电容、电感和导线，在高频条件下会呈现出相应的特性变化，由此产生噪声，在对器电路进行分析时需考虑其高频模型。

2.1.5PCB板设计

实际中，由于PCB设计不当，也会引起PCB板线与线之间、器件与线之间的干扰，如线长、线间距及介质层厚度等。这种干扰较为集中的体现为PCB板上的串扰和反射。因此，合理的PCB布局，在工程设计中是一项不容忽视的因素。

2.2常见的开关电源EMI抑制措施

在工程应用中，针对开关电源的工作原理，可从以下几方面着手解决其EMI问题：

（1）屏蔽技术。屏蔽是抑制开关电源辐射干扰的一种方法，用电磁屏蔽的方法解决电磁干扰问题不会影响电路的正常工作。

（2）滤波技术。滤波是抑制传导干扰的一种有效的办法。从频谱角度分析，滤波是压缩信号回路骚扰频谱的一种方法，当骚扰频谱成分不同于有用信号频带时，可以用滤波器进行骚扰滤除。滤波器的作用是允许工作信号通过，而对非工作信号进行最大程度地衰减。

（3）接地技术。接地技术不仅是保证系统正常工作的有效手段，同时也是抑制电磁干扰，保障设备或系统电磁兼容性，提高设备或系统可靠性的重要技术措施，是保护设施和人身安全的必要手段。

3、滤波器设计

根据上述分析，按照系统EMC要求，设计输入输出EMI滤波器。

3.１输入滤波器设计

输入滤波器设计主要存在两个难点。首先，根据系统EMC要求，需要输入滤波器在宽频率范围内具有良好的电流谐波衰减能力，才能保证系统顺利通过所有EMC实验。其次，该产品体积小，这是制约输入滤波器设计的最大因素，因此，设计过程中必须考虑体积限制的影响。

根据上述情况，输入滤波器采用两级共模滤波单元、两级差模滤波单元组合的方式，实现对共模和差模谐波噪声的衰减。并在输入端并联ＴＶＳ管，用作吸收输入电源线上的高压尖峰。其中，差模滤波单元中的差模电感，利用共模电感的寄生电感实现，起减小滤波器体积的作用。采用并联电阻的方式，实现对Ｑ值的控制。按照前面的分析，可以确定差模滤波单元中Ｒ、Ｌ、Ｃ的取值。在实际制作中，共模电感采用磁环绕制，选用飞磁公司的３Ｅ５材料，电感因数ＡＬ＝４３４０ｎＨ／Ｎ２，尺寸为１３ｍｍ×７．９ｍｍ×６．４ｍｍ，采用三根直径为０．２１ｍｍ的漆包线绕制。

3.２输出滤波器设计

输出滤波器的主要作用是减小纹波，同时对通过寄生参量形成的电磁干扰进行衰减。由于两个ＤＣ／ＤＣ变换器内部专门设计了一级差模滤波器，所以对应的输出滤波器设计相对简单，重点是对输出共模噪声进行滤波，同时利用共模电感的寄生电感，再次获得差模滤波的效果。输出滤波器的设计方法与输入滤波器相同。两个ＤＣ／ＤＣ变换器输出滤波器采用相同设计，如图1所示。

图2中，箭头指示处为超标频率区域。由于整个系统采取了严格的电磁屏蔽措施，同时对结构进行了屏蔽扫描测试，排除了结构设计引起的辐射超标。仔细分析实验数据结果后发现，虽然传导噪声满足ＣＥ１０２要求，但是在高频段有比较大的谐波电流，由于谐波电流通过电源线进行传播，电源线可以等效为一根长天线，谐波电流通过电源线形成对外辐射，导致辐射超标。

通过分析传导波形可以发现，谐波电流变大是在高频段，因此共模噪声应该是导致辐射超标的主要原因。改进措施主要是增大共模电感的电感量，同时适当增大共模滤波电容的电容量。改进后，对电路再次进行实验，顺利通过ＲＥ１０２辐射实验，满足系统要求。

5、结语

开关电源是系统的主要干扰源之一，掌握干扰的产生机理和传播途径，针对性地开展电路设计，是解决电磁干扰的有效途径；同时，对缩短设计周期、降低实验费用，具有重要意义。

参考文献：

[1]对稳定性的影响[J].中国电机工程学报，2010，30（6）：15-21.

[2]罗耀华，马威.双向DC-DC变换器并联仿真[J].应用科技，2010，37（4）：47-51.