MCM功率電源模塊EMC技術(shù)研究

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。從國(guó)外同類公司的報(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（即國(guó)軍標(biāo)GJB151A-97中CE102）的要求。

解決的關(guān)鍵技術(shù)

1電路的設(shè)計(jì)技術(shù)
通過(guò)EDA仿真，利用可靠性優(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)，很容易形成高頻自激，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，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。其中，C1、C2、C3為差模濾波電容，C4、C5為共模濾波電容，L1為共模扼流圈，L2為差模濾波電感。

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。

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。變壓器在開(kāi)關(guān)電源中是用來(lái)隔離和變壓的，但在高頻的情況下它的隔離是不完全的，變壓器層間的分布電容使開(kāi)關(guān)電源中的高頻噪聲很容易在初次級(jí)之間傳遞。此外，變壓器對(duì)外殼的分布電容形成另一條高頻通道，從而使變壓器周圍產(chǎn)生的電磁波更容易在其他引線上耦合形成噪聲。 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。由于開(kāi)關(guān)電源使用的元件參數(shù)（如開(kāi)關(guān)管的存儲(chǔ)時(shí)間、輸出級(jí)的大電流、開(kāi)關(guān)整流管的反向恢復(fù)時(shí)間）均會(huì)造成回路瞬間短路，產(chǎn)生很大短路電流。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。

電源的輸入正端和地線應(yīng)盡可能地靠近，以減小差模輻射的環(huán)路面積。
設(shè)計(jì)布線時(shí)走線盡量少拐彎，拐彎處一般取圓弧形，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。
盡可能地加粗地線，若地線過(guò)細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電路的信號(hào)電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。

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)。為了抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的輻射，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)
為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地，利用一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。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。