DC/DC电源变换器的电磁兼容性

DC-DC电源模块是通信系统的动力之源，已在通信领域中达到广泛应用。由于具有高频率、宽频带和大功率密度，它自身就是一个强大的电磁干扰(EMI)源，严重时会导致周围的电子设备功能紊乱，使通信系统传输数据错误、出现异常的停机和报警等，造成不可弥补的后果;同时，DC-DC电源模块本身也置身于周围电磁环境中，对周围的电磁干扰也很敏感(EMS)，如果没有很好的抗电磁干扰能力，它也就不可能正常工作。因此，营造一种良好的电磁兼容(EMC)环境，是确保电子设备正常工作的前提，且也成为电子产品设计者的重要考虑因素。

DC-DC电源模块EMC特点DC-DC电源模块具有体积小、功率密度大、工作频率高等特点，这些特点直接导致电源内部电磁环境复杂，同时也带来了一系列高频EMI的问题，产生的干扰对电源本身和周围电子环境带来很大的影响。为满足日趋严格的国际电磁兼容法规，DC-DC电源模块的EMC设计已经成为电源设计中的首要问题之一。

DC-DC电源模块的EMC问题主要有如下几个特点： DC-DC电源模块作为工作于开关状态的能量转换装置，产生的干扰强度较大;干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的铝基板和高频变压器;由于DC-DC电源模块与其它电子电路相连紧凑，产生的EMI很容易造成不良影响。

DC-DC电源模块的共模干扰信号(CM)和差模干扰信号(DM)的分布图如图1所示。这是分析干扰信号特性十分有用的列线图。如果设备在某段频率范围内有传导干扰电平超标，查阅该图可得出是哪一种类型的传导干扰信号占主导地位，从而指导改变EMI滤波器的网络结构及参数等相应措施加以解决。

DC-DC电源模块的EMC设计屏蔽和接地

屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰。采用屏蔽的目的有两个：一是限制内部的辐射电磁能越过某一区域;二是防止外来的辐射进入某一区域。屏蔽是解决DC-DC电源模块EMC问题的手段之一，目的是切断电磁波的传播途径，主要是做好DC-DC电源模块的机壳密封性屏蔽。接地的要点是电位相同、内部电路不互相干扰、抵御外来干扰。尽量减少导线电感引起的阻抗，增加地环路的阻抗，减少地环路的干扰。

软开关技术

应用软开关技术，实现零电压开关与零电流开关运行可以大大减小功率器件的di/dt和dv/dt。即功率管能在零电压下导通和零电流下关断，若同时快速二极管也采用软关断，则可以大幅度降低DC-DC 转换器的EMI水平。

DC/DC电源指的是直流转直流的电路，有升压降压两种电路，按理来说，LDO也是DCDC电源，但行业内只认为以开关形式实现的电源为DC/DC电源。

一，DC/DC基本拓扑

Buck、Boost型

电感电压伏秒平衡定律

一个功率变换器，当输入、负载和控制均为固定值时的工作状态，在开关电源中，被称为稳态。稳态下，功率变换器中的电感满足电感电压伏秒平衡定律：对于已工作在稳态的DC/DC功率变换器，有源开关导通时加在功率电感上的正向伏秒一定等于有源开关截至时加在该电感上的反向伏秒。

1. BUCK降压型

先来看一下原理图

BUCK电路原理和信号转变过程

当PWM驱动高电平使得NMOS管S1导通，忽略MOS管的导通压降，电感电流呈线性上升，此时电感正向伏秒为：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton

当PWM驱动低电平使得NMOS管S1截至时，电感电流不能突变，经过续流二极管形成回路(忽略二极管压降)，给输出负载供电，此时电感电流下降，此时电感反向伏秒为：V*Toff=Vo*(Ts-Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得：(Vin-Vo)*Ton=Vo*(Ts-Ton)

即 Vo=D*Vin (D为占空比)

2.BOOST升压型

和BUCK电路类似的分析方法，当MOS管导通时，电感的正向伏秒为：Vin*Ton;当MOS管截至时，电感的反向伏秒为：(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

根据电感电压伏秒平衡定律可得：Vin*Ton=(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

即 Vo=Vin/(1-D)

matlab仿真图：

matlab仿真图

仿真Vout升压过程

3.同步整流技术

由于二极管导通时至少存在0.3V的压降，因此续流二极管D所消耗的功率将会称为DC/DC电源主要功耗，从而严重限制了效率的提高。为解决该问题，以导通电阻极小的MOS管取代续流二极管。然后通过控制器同时控制开关管和同步整流管，要保证两个MOS管不能同时导通，负责将会发生短路。

二、DC/DC电源调制方式

DC/DC电源属于斩波类型，即按照一定的调制方式，不断地导通和关断高速开关，通过控制开关通断的占空比，可以实现直流电源电平的转换。DC/DC电源的调制方式有三种：PWM方式、PFM方式、PWM与PFM的混合方式。

1.PWM(脉冲宽度调制)

PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现稳定电源电压的输出。在PWM调制方式下，开关频率恒定，即不存在长时间被关断的情况。

优点：噪声低、效率高，对负载的变化响应速度快，且支持连续供电的工作模式。

缺点：轻负载时效率较低，且电路工作不稳定，在设计上需要提供假负载。

2.PFM(脉冲频率调制)

PFM通过调节开关频率以实现稳定的电源电压的输出。PFM工作时，在输出电压超过上阈值电压后，其输出将关断，直到输出电压跌落到低于下阈值电压时，才重新开始工作。

优点：功耗较低，轻负载时，效率高且无需提供假负载。

缺点：对负载变化响应较慢，输出电压的噪声和纹波相对较大，不适合工作于连续供电方式。

三、DC/DC芯片的内部构造

接下来我们来看看DC/DC电源芯片内部的单元模块，并且给大家看看基本拓扑与电源芯片的联系，先来看一个图。

一款电源背光IC的内部原理框图

1.Vref&Error Amp基准电压与误差放大器

误差放大器的作用就是将反馈电压(FB引脚电压)与基准电压(200mv)的差值进行放大，然后再用该信号去控制PWM输出信号的占空比。

2.Thermal Shutdown 温度保护：当温度高于限定值，芯片停止工作。

3.soft start软启动电路：用于电源启动时，减小浪涌电流，使输出电压缓慢上升，减小对输入电源的影响。

四、DC/DC电路的硬件设计参数选择标准

1.设置输出电压：先选择合适的R2,R2过小会导致静态电流过大，从而导致加大损耗;R2太大会导致静态电流过小，而导致FB引脚的反馈电压对噪声敏感，一般在数据手册中有推荐值范围参考。选定R2，根据输出电压计算R1的值，R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。电压选定以后，开关电源会自动调节占比总，取得我们想要的电压。

2.电感：电感的选择要满足直到输出最小规定电流时，电感电流也保持连续。在电感选取过程中需要综合输出电流、纹波、体积等多个因素进行考虑。较大的电感将导致较小的纹波电流，从而导致较低的纹波电压，但是电感越大，将具有更大的物理占用面积，更高的串联电阻和更低的饱和电流。电感感值越小，开关电源PWM信号的频率就越高，一般开关电源很少有好过10MHz的开关频率，大部分在100K~1MHz之间，所需要的功率电感值在2.2uH~22uH之间。

3.输出电容：输出电容的选择主要是根据设计中所需要的输出纹波的要求来进行选取。电容产生的纹波:相对很小，可以忽略不计;电容等效电感产生的纹波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不计;电容等效电阻产生的纹波：与ESR和流过电容电流成正比，该电流纹波主要是和开关管的开关频率有关，基本为开关频率的n次谐波，为了减少纹波，让ESR尽量小。需要在开关电源输出端增加pF级电容，减少百兆级噪声的干扰。

随着电力电子技术的发展，开关电源模块因其相对体积小、效率高、工作可靠等优点开始取代传统整流电源而被广泛应用到社会的各个领域。但由于开关电源工作频率高，内部产生很快的电流、电压变化，即 dv/dt 和 di/dt，导致开关电源模块将产生较强的谐波干扰和尖峰干扰，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。

这就是所讨论的电磁兼容性问题，也是关于开关电源电磁兼容的电磁骚扰 EMD 与电磁敏感度 EMS 设计问题。由于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。

电磁兼容学是一门综合性学科，它涉及的理论包括数学、电磁场理论、天线与电波传播、电路理论、信号分析、通讯理论、材料科学、生物医学等。

进行开关电源的电磁兼容性设计时，首先进行一个系统设计，明确以下几点：

1. 明确系统要满足的电磁兼容标准;

2. 确定系统内的关键电路部分，包括强干扰源电路、高度敏感电路;

3. 明确电源设备工作环境中的电磁干扰源及敏感设备;

4. 确定对电源设备所要采取的电磁兼容性措施。

一、DC/DC 变换器内部噪声干扰源分析

1.二极管的反向恢复引起噪声干扰

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，如图所示，在二极管由阻断状态到导通工作过程中，将产生一个很高的电压尖峰 VFP;在二极管由导通状态到阻断工作过程中，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 VRP，由于少子的存储与复合效应，会产生瞬变的反向恢复电流 IRP，这种快速的电流、电压突变是电磁干扰产生的根源。

电流电压波形图

二极管反向恢复时电流电压波形 二极管正向导通电流电压波形

2.开关管开关动作时产生电磁干扰

二极管反向恢复时电流电压波形 二极管正向导通电流电压波形在正激式、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，由于开关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 突变和很高的尖峰电压，在开关管的关断时，由于关断时间很短，将产生很大的 di/dt 突变和很高的电流尖峰，这些电流、电压突变将产生很强的电磁干扰。

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边;功率变压器由于绕制工艺等原因，原次边耦合不理想而存在漏感，漏电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。

4.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。

5.此外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。

6.开关电源中的布线设计非常重要，不合理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。

7.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，这种电磁干扰影响其它电子元器件或电路的正常稳定工作。