電源系統(tǒng)中多個子系統(tǒng)之間的電磁兼容問題

電源系統(tǒng)中多個子系統(tǒng)之間的電磁兼容問題

摘要：通過一個實(shí)例分析了在一個電源系統(tǒng)中多個子系統(tǒng)之間出現(xiàn)的電磁兼容問題，并且給出了解決方案。同時也提供了布局中應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題。

關(guān)鍵詞：電源；子系統(tǒng)；電磁兼容

0??? 引言

??? 電子產(chǎn)品間會通過傳導(dǎo)或者輻射等途徑相互干擾，導(dǎo)致電子產(chǎn)品不能正常工作。因此，電磁兼容在電源產(chǎn)品設(shè)計(jì)中處于非常重要的地位，若處理不當(dāng)會帶來很多麻煩。

??? 開關(guān)電源是一個很強(qiáng)的騷擾源，這是由于開關(guān)管以很高的頻率做開關(guān)動作，由此會產(chǎn)生很高的開關(guān)噪聲，從而會從電源的輸入端產(chǎn)生差模與共模干擾信號。同時，開關(guān)電源中又有很多控制電路，很容易受到自身和其他電子設(shè)備的干擾。所以，EMI和EMS問題在電源產(chǎn)品中都需要重視。

??? 然而對于一個電源系統(tǒng)內(nèi)有多個子系統(tǒng)的場合，多個子系統(tǒng)之間的電磁兼容問題就更加尖銳。由于電源產(chǎn)品體積的限制，多個子系統(tǒng)在空間上一般都比較靠近，而且通常是共用一個輸入母線，因此，互相之間的干擾會更加嚴(yán)重。所以，這類電源系統(tǒng)除了要防止對其他電源系統(tǒng)和設(shè)備的干擾，達(dá)到政府制定的標(biāo)準(zhǔn)外，還要考慮到電源系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)之間的相互干擾問題，不然將會影響到整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

??? 下面以一個軍用車載電源為例，闡述了在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的原則，調(diào)試中出現(xiàn)的問題，解決的方案，以及由此得到的經(jīng)驗(yàn)。

1??? 電氣規(guī)格和基本方案

1.1??? 電氣規(guī)格

??? 如圖1所示。由于是車載電源，所以該電源系統(tǒng)的輸入為蓄電池，電壓是9～15V。輸出供輻射儀，報(bào)警器，偵毒器，打印機(jī)，電臺，加熱等6路負(fù)載。其電壓有24V，12V，5V3種，要求這3種電壓電氣隔離并且具有獨(dú)立保護(hù)功能。

圖1??? 電氣規(guī)格

1.2??? 基本方案

??? 12V輸出可以直接用蓄電池供電，因此，DC/DC變換系統(tǒng)只有24V和5V兩路輸出。由于要有獨(dú)立保護(hù)功能，并且調(diào)整率要求也非常高，所以，采用兩個獨(dú)立的DC/DC變換器的方案。24V輸出200W，采用RCD復(fù)位正激變換器；5V輸出30W，采用反激變換器。圖2給出了該方案的主電路圖。

(a)??? 正激變換器

(b)??? 反激變換器

圖2??? 基本方案的主電路

2布局上的考慮

??? 因?yàn)椋袃陕纷儞Q器放在同一塊PCB上，所以，布局上需要考慮的問題更加多。

??? 1）雖然在一塊PCB上，但是，兩個變換器還是應(yīng)該盡量地拉開距離，以減少相互的干擾。所以，正激變換器和反激變換器的功率電路分別在PCB的兩側(cè)，中間為控制電路，并且兩組控制電路之間也盡量分開。

??? 2）主電路的輸入輸出除了電解電容外，再各加一顆高頻電容（CBB電容），并且該電容盡量靠近開關(guān)和變壓器，使得高頻回路盡量短，從而減少對控制電路的輻射干擾。

??? 3）該電源系統(tǒng)控制芯片的電源也是由輸入電壓提供，沒有另加輔助電源。在靠近每個芯片的地方都加一個高頻去耦電容（獨(dú)石電容）。此外，主電路輸入電壓和芯片的供電電壓是同一個電壓，為了防止發(fā)生諧振，最好在芯片的供電電壓前加一個LC濾波或RC濾波電路，隔斷主電路和控制電路之間的傳導(dǎo)干擾。

??? 4）為了減少各個控制芯片間的相互干擾，控制地采用單點(diǎn)信號地系統(tǒng)?？刂频刂煌ㄟ^驅(qū)動地和功率地相連，也就是控制地只和開關(guān)管的源極相連。但是，實(shí)際上驅(qū)動電路有較大的脈沖電流，最好的做法是采用變壓器隔離驅(qū)動，讓功率電路和控制電路的地徹底分開。

3??? 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決辦法

??? 該電源系統(tǒng)在調(diào)試過程中出現(xiàn)了以下問題：正激變換器和反激變換器在單獨(dú)調(diào)試的時候非常正常，但是，在兩路同時工作時卻發(fā)生了相互之間的干擾，占空比發(fā)生振蕩，變壓器有嘯叫聲。

??? 這個現(xiàn)象很明顯是由兩路變換器之間的相互干擾造成的。為了尋找騷擾源而做了一系列的實(shí)驗(yàn)，最終證實(shí)是由兩路主電路之間的共模干擾引起振蕩的。具體的實(shí)驗(yàn)過程過于繁瑣，在這里就不描述了。

??? 這些問題的解決方法有很多種。下面給出幾種當(dāng)時采用的解決方案，以及提出一些還可以采用的方案。

??? 1）在每個變換器的輸出側(cè)加共模濾波器??? 這樣不僅可以減小對負(fù)載的共模干擾，并且對自身的控制電路也有好處。因?yàn)?，輸出電壓?jīng)過分壓后要反饋到控制電路中，如果輸出電壓中含有共模干擾信號，那么控制電路也會由此引入共模干擾信號。所以，在變換器的輸出側(cè)加共模濾波器是非常有必要的，不僅減小對負(fù)載的共模干擾，還會減小對控制電路的共模干擾。

??? 2）在反激變換器和正激變換器之間加一個共模濾波器??? 這樣可以減少兩路變換器主電路之間的傳導(dǎo)干擾。因?yàn)?，反激?cè)差模電流較小，所以，將共模濾波器放在反激側(cè)，如圖3所示。另外，為了防止兩路電源之間的相互干擾，共模濾波器設(shè)計(jì)成π型，這樣從每一邊看都是一個共模濾波器。

圖3??? EMI共模濾波器

??? 3）將反激變壓器繞組的饒法改成原—副—原—副—原—副的多層夾層饒法??? 采取該措施后變壓器原副邊的耦合更加緊密，使漏感減小，開關(guān)管上電壓尖峰明顯降低。同時共模騷擾源的強(qiáng)度也隨之降低。在不采用解決方案2）時，采用本方案也解決了問題。而且，這種方法從根源上改善了電磁兼容性能，且繞組的趨膚效應(yīng)和層間效應(yīng)也都會改善，從而降低了損耗。但是，這種繞法是以犧牲原副邊的絕緣強(qiáng)度為代價(jià)的，在原副邊絕緣要求高的場合并不適用。

??? 4）減慢開關(guān)的開通和關(guān)斷速度??? 這樣開關(guān)管上的電壓尖峰也會降低，也能在一定程度上解決問題。但是，這是以增加開關(guān)管的開關(guān)損耗為代價(jià)的。

??? 5）開關(guān)頻率同步??? 兩路變換器的工作頻率都是100kHz，但是，使用兩個RC振蕩電路，參數(shù)上會有離散性，兩個頻率會有一定偏差。這樣兩路電源可能會產(chǎn)生一個拍頻引起振蕩。所以，也嘗試了用一個RC振蕩電路，一個PWM芯片由另一個PWM芯片來同步，這樣可以保證嚴(yán)格的同頻和同時開通，對減少兩路電源之間的干擾會有一定好處。在這個電源系統(tǒng)中，采用的PWM芯片是ST公司的L5991芯片，可以非常方便地接成兩路同步的方式，如圖4所示。

圖4??? 兩片PWM芯片的同步

??? 6）在二極管電路中串聯(lián)一個飽和電感，減小二極管的反向恢復(fù)，從而減小共模干擾源的強(qiáng)度??? 在電流大的時候，飽和電感由于飽和而等效為一根導(dǎo)線。在二極管關(guān)斷過程中，正向電流減小到過零時，飽和電感表現(xiàn)出很大的電感量，阻擋了反向電流的增加，從而也減小了二極管上電壓尖峰。從電磁兼容的角度講，是減小了騷擾源的強(qiáng)度。用這種方法抑制二極管的反向恢復(fù)也會造成一定的損耗，但是，由于使用的電感是非線形的，所以，額外損耗相對RC吸收來說還是比較小的。

??? 圖5（a）是正激變換器在沒有加飽和電感時續(xù)流二極管DR2的電壓波形，較高的振蕩電壓尖峰是很強(qiáng)的騷擾源。圖5（b）是正激變換器在加了飽和電感后的二極管電壓波形，電壓尖峰明顯降低，從而大大減弱了該騷擾源的強(qiáng)度。

(a)??? 未串飽和電感??? (b)??? 串飽和電感

圖5??? 續(xù)流二極管電壓波形

??? 7）對反激變換器的主開關(guān)加電壓尖峰吸收電路??? 盡管反激變壓器繞組的饒法有很大的改進(jìn)，漏感已減小。但是，由于反激變換器的變壓器不是一個單純的變壓器，而是變壓器和電感的集成，所以，要加氣隙。加氣隙后的變壓器的漏感相對來說還是比較大的。若不加吸收電路，開關(guān)管上電壓尖峰會比較高，這不僅增加了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，而且也是一個很強(qiáng)的騷擾源。

??? 圖6給出了反激變換器的吸收電路。R₁，C₁，D組成了RCD鉗位吸收電路，它可以很好地吸收變壓器漏感和開關(guān)管結(jié)電容諧振產(chǎn)生的電壓尖峰。圖7(a)是沒有加吸收電路時，開關(guān)管上漏—源電壓波形，有很高的電壓尖峰。圖7(b)是加了RCD吸收電路時，開關(guān)管上漏—源電壓波形，電壓尖峰已大大降低。但是，將圖7(b)振蕩部分放大看，如圖7(c)所示，可以發(fā)現(xiàn)，又出現(xiàn)了一些更細(xì)的 振 蕩 電 壓 。 該 振 蕩 電 壓 是 由 于 漏 感 和 二 極 管D的 結(jié) 電 容 諧 振 產(chǎn) 生 的 ， 靠 RCD電 路 已 經(jīng) 無 法 將 其 吸 收 （R₂，C₂） 。 所 以 ， 又 在 開 關(guān) 管 的 漏 — 源 兩 端 加 了RC吸 收 電 路 （R₂，C₂） ， 進(jìn) 一 步 吸 收 由 于 漏 感 和 二 極 管 D的 結(jié) 電 容 諧 振 產(chǎn) 生 的 電 壓 尖 峰 。 吸 收 后 的 波 形 如 圖 7(d)所 示 。

圖6??? 反激變換器的吸收電路

(a)??? 無RCD吸收電路??? (b)??? 有RCD吸收電路

(c)??? (b)的局部放大??? (d)??? 開關(guān)管漏—源極間加RC

圖7??? 反激變換器開關(guān)管漏—源電壓波形

??? 8）采用軟開關(guān)電路??? 上述解決方案1）－6）是在不改變現(xiàn)有電路拓?fù)涞那疤嵯陆档碗姶鸥蓴_所采用的方案。其中1）－2）是采用切斷耦合途徑的方法；3）－6）是減弱騷擾源的方法。實(shí)際上，在選擇電路拓?fù)鋾r就可以考慮有利于EMC的拓?fù)?，這樣就不容易產(chǎn)生上面的問題。其中采用控制性軟開關(guān)拓?fù)渚褪且粋€很好的選擇。選用控制性軟開關(guān)拓?fù)洌ɡ缫葡嗳珮蜃儞Q器、不對稱半橋變換器、LLC諧振變換器[4]），不僅可以減少開關(guān)損耗，而且可以降低電壓尖峰，從而減弱騷擾源的強(qiáng)度。但是，采用緩沖型的軟開關(guān)拓?fù)?，不僅增加了很多附加電路，并且從降低EMI角度來說也不一定有優(yōu)勢，因?yàn)?，大多?shù)緩沖型軟開關(guān)拓?fù)鋵⒃鹊恼袷幠芰哭D(zhuǎn)移到附加的電路上了，還是會產(chǎn)生很強(qiáng)的EMI。

5??? 結(jié)語

??? 由于在空間上一般都比較靠近，而且，通常是共用一個輸入母線，所以，在內(nèi)部有多個子系統(tǒng)的電源系統(tǒng)中，多個子系統(tǒng)電源之間的電磁兼容問題非常尖銳。在選擇電路拓?fù)鋾r應(yīng)盡量選用控制性軟開關(guān)拓?fù)?。在設(shè)計(jì)PCB板時應(yīng)該注意多個子系統(tǒng)的位置關(guān)系和地線的安排。當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰時，可采用RCD或者RC等吸收電路。對于二極管的反向恢復(fù)問題，可以采用串聯(lián)飽和電感的方法來解決。在必要的時候還可以加合適的EMI濾波器來隔斷干擾的耦合途徑。