MCM功率電源模塊EMC技術(shù)研究和設(shè)計(jì)

對(duì)MCM功率電源而言，由于其工作在幾百kHz的高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，故易成為干擾源。電磁兼容性EMC（Electro MagneTIc CompaTIbility），是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值；另一方面是指器具對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。從國(guó)外同類(lèi)公司的報(bào)告及實(shí)際措施來(lái)看，解決DC/DC變換器電磁干擾主要就是滿足10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射的要求。

　1 電路的設(shè)計(jì)技術(shù)

通過(guò)EDA仿真，利用可靠性?xún)?yōu)化和可靠性簡(jiǎn)化技術(shù)設(shè)計(jì)電路參數(shù)，著重解決如下問(wèn)題。

① 線路的自激振蕩：合理地選擇消振網(wǎng)絡(luò)，消除DC/DC變換器的R、L、C參數(shù)選取的不合理性引起的振蕩，減小EMI的電平。DC/DC電源由于工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，有時(shí)反應(yīng)為帶滿載時(shí)正常帶輕載時(shí)自激，有時(shí)反映為常溫時(shí)正常高溫或低溫時(shí)自激，因此元器件的選取、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用顯得尤為重要。

② 紋波與噪聲的有效抑制：抑制的方法大致可以歸結(jié)為二類(lèi)，即降低本身的紋波與噪聲和設(shè)計(jì)濾波電路。

為了抑制外來(lái)的高頻干擾，也為了抑制DC/DC變換器對(duì)外傳導(dǎo)干擾，通過(guò)在DC/DC變換器的輸入端、輸出端設(shè)計(jì)濾波電路，抑制共模、差模干擾，降低EMI電平。

為了減少DC/DC變換器通過(guò)輸入、輸出端傳導(dǎo)EMI，除了在輸入、輸出端采取LC濾波外，還在電源的輸入地到金屬外殼之間、輸出地到金屬外殼之間增加高頻濾波電容，以減少共模干擾的產(chǎn)生。但此處要注意電容耐壓要大于500V，以滿足產(chǎn)品隔離電壓的要求。

圖1 濾波器的原理圖

圖中，L1、C1組成的輸入濾波電路和L2、C2組成的輸出濾波電路能減少紋波電流的大小，從而減少通過(guò)輻射傳播的電磁干擾。濾波電容C1、C2采用多個(gè)電容并聯(lián)，以減少等效串聯(lián)電阻，從而減小紋波電壓。C3、C4、C5、C6用于濾除共模干擾，其值不宜取大，以避免有較大的漏電流。

濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開(kāi)。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出。最基本的濾波器，是由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器構(gòu)成，稱(chēng)為L(zhǎng)型濾波。所有各型的濾波器，都是集合L型單節(jié)濾波器而成?；締喂?jié)式濾波器由一個(gè)串聯(lián)臂及一個(gè)并聯(lián)臂所組成，串聯(lián)臂為電感器，并聯(lián)臂為電容器。在電源及聲頻電路中之濾波器，最通用者為L(zhǎng)型及π型兩種。

2 抑制干擾源技術(shù)

DC/DC變換器的主要干擾源有高頻變壓器、功率開(kāi)關(guān)管及整流二極管，為此逐一地采取措施。

① 高頻變壓器

在開(kāi)關(guān)電源中，變壓器在電路中起到電壓變換、隔離及能量轉(zhuǎn)化作用，其工作在高頻狀態(tài)，初、次級(jí)將產(chǎn)生噪聲并形成電磁干擾EMI。當(dāng)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，高頻變壓器漏感會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)E=-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率（di/dt）成正比，與漏感量成正比，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，從而形成傳導(dǎo)性電磁干擾。此外，變壓器對(duì)外殼的分布電容形成另一條高頻通道，從而使變壓器周?chē)a(chǎn)生的電磁波更容易在其他引線上耦合形成噪聲。

高頻變壓器是作為開(kāi)關(guān)電源最主要的組成部分。開(kāi)關(guān)電源中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多。比如半橋式功率轉(zhuǎn)換電路，工作時(shí)兩個(gè)開(kāi)關(guān)三極管輪流導(dǎo)通來(lái)產(chǎn)生 100kHz的高頻脈沖波，然后通過(guò)高頻變壓器進(jìn)行變壓，輸出交流電，高頻變壓器各個(gè)繞組線圈的匝數(shù)比例則決定了輸出電壓的多少。典型的半橋式變壓電路中最為顯眼的是三只高頻變壓器：主變壓器、驅(qū)動(dòng)變壓器和輔助變壓器（待機(jī)變壓器），每種變壓器在國(guó)家規(guī)定中都有各自的衡量標(biāo)準(zhǔn)，因此，在設(shè)計(jì)中采取了以下措施。

為減小變壓器漏感的影響，采用初、次級(jí)交叉繞制的方法，并使其緊密耦合。

盡可能采用罐型磁芯。由于罐型磁芯可以把所有的線圈繞組封在磁芯里面，因此具有良好的自我屏蔽作用，可以有效地減少EMI。

圖2 輸入輸出濾波電路

為吸收上升沿和下降沿產(chǎn)生的過(guò)沖，并有可能造成的自激振蕩，在初、次級(jí)電路中增加R、C吸收網(wǎng)絡(luò)，以減少尖峰干擾。在調(diào)試時(shí)須仔細(xì)調(diào)整R、C的參數(shù)，確保電阻R1的值在30～200Ω，電容C1的值在100～1000P之間，以免影響變壓器的效率。

② 功率開(kāi)關(guān)管

由于功率管工作于高頻通斷開(kāi)關(guān)狀態(tài)，將產(chǎn)生電磁干擾EMI。當(dāng)開(kāi)關(guān)管流過(guò)大的脈沖電流時(shí)，大體上形成了矩形波，含有許多高頻成分。凡有短路電流的導(dǎo)線及這種脈沖電流流經(jīng)的變壓器和電感產(chǎn)生的電磁場(chǎng)都可形成噪聲源。開(kāi)關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級(jí)出現(xiàn)很大的涌流，造成尖峰噪聲。這個(gè)尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開(kāi)關(guān)管。因此，須采取以下措施。

優(yōu)化功率管的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。通過(guò)緩沖電路，可以延緩功率開(kāi)關(guān)管的通斷過(guò)程。

采用R、C吸收電路，從而在維持電路性能不變的同時(shí)，降低其電磁干擾的EMI電平。

③ 整流二極管

整流二極管一般為平面型硅二極管，用于各種電源整流電路中。選用整流二極管時(shí)，主要應(yīng)考慮其最大整流電流、最大反向工作電流、截止頻率及反向恢復(fù)時(shí)間等參數(shù)。普通串聯(lián)穩(wěn)壓電源電路中使用的整流二極管，對(duì)截止頻率的反向恢復(fù)時(shí)間要求不高，只要根據(jù)電路的要求選擇最大整流電流和最大反向工作電流符合要求的整流二極管即可。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的整流電路及脈沖整流電路中使用的整流二極管，應(yīng)選用工作頻率較高、反向恢復(fù)時(shí)間較短的整流二極管（例如RU系列、EU系列、V系列、1SR系列等）或選擇快恢復(fù)二極管。

整流二極管在關(guān)斷期，由于反向恢復(fù)時(shí)間會(huì)引起尖峰干擾。為減少這種電磁干擾，必須選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小的、反向恢復(fù)時(shí)間短的二極管。肖特基勢(shì)壘二極管是多數(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲(chǔ)與復(fù)合效應(yīng)，因而也就會(huì)產(chǎn)生很小的電壓尖峰干擾，故采取以下措施。

● 采用R1、C1組成旁路吸收網(wǎng)絡(luò)。

● 采用多個(gè)肖特基并聯(lián)分擔(dān)負(fù)載電流，有效地抑制整流二極管形成的EMI電平。

圖3 初級(jí)吸收網(wǎng)絡(luò)

　3 產(chǎn)品平面轉(zhuǎn)化時(shí)EMC設(shè)計(jì)技術(shù)

影響產(chǎn)品EMC的方面很多。除了在線路上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外，如何在基片有限的空間內(nèi)合理的安排元器件的位置以及導(dǎo)帶的布線，也將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和產(chǎn)品的電磁兼容性EMC指標(biāo)。

① 平面轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)規(guī)范

對(duì)于電源內(nèi)部高頻開(kāi)關(guān)器件，如功率VMOS管、高頻變壓器、整流管等，應(yīng)盡可能地減少其電路電流的環(huán)路面積，且不要與其他導(dǎo)帶長(zhǎng)距離平行分布。

設(shè)計(jì)布線時(shí)走線盡量少拐彎，因?yàn)橹苯腔驃A角會(huì)產(chǎn)生電流突變，產(chǎn)生EMI干擾。導(dǎo)帶上的線寬不要突變，無(wú)尖刺毛邊。

導(dǎo)帶印制時(shí)應(yīng)盡量采用高目數(shù)的印制網(wǎng)，以便使線電流達(dá)到均衡。應(yīng)選用電流噪聲系數(shù)較小、性能穩(wěn)定性較好的電阻漿料和導(dǎo)帶漿料，保證不會(huì)因?yàn)楣に噮?shù)的因數(shù)帶來(lái)新的干擾。

圖4 次級(jí)整流電路

② 采用金屬全密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝

屏蔽有兩個(gè)目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來(lái)輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部區(qū)域。其原理是利用屏蔽體對(duì)電磁能量進(jìn)行反射、吸收和引導(dǎo)。電磁騷擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響，可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來(lái)加工金屬外殼，然后將金屬外殼與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。

　4 地線設(shè)計(jì)技術(shù)

電路地線：在電路設(shè)計(jì)時(shí)，主要是防止干擾與提高無(wú)線電波的輻射效率。地線被廣泛作為電位的參考點(diǎn)，為整個(gè)電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電位。此時(shí)，地線未必與真正的大地相連，而往往與輸入電源線的一根相連（通常是零線），其電位也與大地電位無(wú)關(guān)。整個(gè)電路在設(shè)計(jì)時(shí)，以地線上電壓為0V，以統(tǒng)一整個(gè)電路電位。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，還應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后，再連接到公共參考點(diǎn)上，如果有可能最好設(shè)計(jì)地線層。