Buck變換器的EMC分析

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(wèi)、阻性負(fù)載ro以及無(wú)感采樣電阻rl組成。此電路的基本參數(shù)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。控制芯片采用sg3525，驅(qū)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(shù)是重要的一步，合適的閉環(huán)參數(shù)可以使電路穩(wěn)定，產(chǎn)生較小的emd。

圖2是該系統(tǒng)的電磁兼容性示意圖，結(jié)合此圖分析系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)部，又有可能發(fā)生在系統(tǒng)之間?！　膱D2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(gòu)成干擾。與數(shù)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(qiáng)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(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾。一般解決emd針對(duì)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?！　∮纱丝芍猙uck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?shù)哪芰坑执?，故在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很高的毛刺?！　∮捎谠O(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于30mhz電磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，因此，電磁干擾主要考慮的是傳導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)。

2電磁干擾的抑制措施

2.1濾波　　

由于電池存在一定的內(nèi)阻抗，再加上入端引線(xiàn)上的寄生電感和內(nèi)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(duì)電路的干擾，也阻止了電路對(duì)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?！　?br>
由于輸出端對(duì)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(duì)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，力求最短的電容器引線(xiàn)和最小的瞬態(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(duì)它充電，并應(yīng)安裝在電源母線(xiàn)進(jìn)入pcb板的地方?！　?br>
系統(tǒng)中最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(biāo)。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(dǎo)通和關(guān)斷的干擾，所以，需要對(duì)采樣電阻上的信號(hào)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。

2.2接地方法。　

1)接地系統(tǒng)須具有很低的公共阻抗，使系統(tǒng)中各路電流，通過(guò)該公共阻抗產(chǎn)生的直接傳導(dǎo)噪聲電壓最小?！　?br> 2）在高頻電流的場(chǎng)合，保證“信號(hào)地”對(duì)“大地”有較低的共模電壓，使通過(guò)“信號(hào)地”產(chǎn)生的輻射噪音最低?！　?br> 3）保證地線(xiàn)與信號(hào)線(xiàn)構(gòu)成的電流回路具有最小的面積，避免由地線(xiàn)構(gòu)成“地回路”，使外界干擾磁場(chǎng)穿過(guò)該回路產(chǎn)生的差模干擾電壓最小，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(dǎo)干擾?！　?br>
本系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)部先串聯(lián)接地，然后再單點(diǎn)與主功率地連接。驅(qū)動(dòng)電路則采用光耦隔離技術(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。

2.3緩沖　　

在采用了以上措施后，發(fā)現(xiàn)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?！　?br>
緩沖電路的目的是對(duì)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?！　?br>
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。

在關(guān)斷過(guò)程中由于功率二極管會(huì)有反向恢復(fù)，這是一個(gè)重要的騷擾源?！?br>
rc緩沖電路是解決功率二極管反向恢復(fù)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(shù)。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(jié)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(duì)寄生電容充電，同時(shí)還通過(guò)緩沖電阻r對(duì)緩沖電容c充電。在同樣能量的情況下，緩沖電容越大，其上的電壓就越小；當(dāng)二極管正向?qū)〞r(shí)，c通過(guò)r放電，能量絕大部分在r上消耗。

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。

2.4pcb布板中，由于印刷板上既有低電平的小信號(hào)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(nèi)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?！　?br>
通過(guò)分析印刷導(dǎo)線(xiàn)的特性阻抗，合理地選取布線(xiàn)的放置方式、長(zhǎng)度、寬度以及總體布局。單根導(dǎo)線(xiàn)的特性阻抗由直流電阻r和自感l(wèi)組成。

式中：l為印刷導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度；　　
b為印刷導(dǎo)線(xiàn)的寬度?！　?br> 可以看出印刷線(xiàn)l越短，直流電阻r越小，自感l(wèi)也就越?。煌瑫r(shí)增加印刷線(xiàn)的寬度也可以降低直流電阻r和自感l(wèi)。　　
多根印刷線(xiàn)的特性阻抗除了直流電阻r和自感l(wèi)以外，還有互感m。

式中：s為兩線(xiàn)之間的距離。

由以上分析可知，在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(tǒng)的實(shí)際等效電路如圖9所示。

直流供電電路中產(chǎn)生的瞬態(tài)噪聲電壓，起源于電源負(fù)載電流的突變?chǔ)膇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δul是電源供電傳輸線(xiàn)特征阻抗z0的函數(shù)。

為了減小δul，必須使得z0盡量低，由式（4）可知，要求lt盡量小，ct盡量大。為了減小lt和增大ct，供電母線(xiàn)應(yīng)用矩形截面的導(dǎo)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(yīng)磁通。同時(shí)也將其它正、負(fù)信號(hào)線(xiàn)分別布在印刷板的兩面，設(shè)法使兩個(gè)載流體導(dǎo)線(xiàn)彼此間保持平行，因?yàn)槠叫芯o靠的正、負(fù)載流體導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)是趨向于相互抵消的。

對(duì)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(yùn)用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長(zhǎng)（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(yīng)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(dǎo)線(xiàn)的寄生電感。選擇合適的濾高頻電容（樣機(jī)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(dǎo)線(xiàn)電感?！　「鶕?jù)以上的分析所得出的原則，實(shí)際設(shè)計(jì)的樣機(jī)主功率pcb板如圖10所示。

3結(jié)語(yǔ)

開(kāi)關(guān)電源電磁兼容設(shè)計(jì)的目的,就是使所設(shè)計(jì)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(shè)備的工作。本文通過(guò)各個(gè)方面的分析，總結(jié)出設(shè)計(jì)buck電路電磁兼容的原則，并依此原則制造出試驗(yàn)樣機(jī)，從而在實(shí)踐的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。