論文：電源系統中多個(gè)子系統之間的電磁兼容問(wèn)題

　　摘要：通過(guò)一個(gè)實(shí)例分析了在一個(gè)電源系統中多個(gè)子系統之間出現的電磁兼容問(wèn)題，并且給出了解決方案。同時(shí)也提供了布局中應注意的細節問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：電源；子系統；電磁兼容

　　引言

　　電子產(chǎn)品間會(huì )通過(guò)傳導或者輻射等途徑相互干擾，導致電子產(chǎn)品不能正常工作。因此，電磁兼容在電源產(chǎn)品設計中處于非常重要的地位，若處理不當會(huì )帶來(lái)很多麻煩。

　　開(kāi)關(guān)電源是一個(gè)很強的騷擾源，這是由于開(kāi)關(guān)管以很高的頻率做開(kāi)關(guān)動(dòng)作，由此會(huì )產(chǎn)生很高的開(kāi)關(guān)噪聲，從而會(huì )從電源的輸入端產(chǎn)生差模與共模干擾信號。同時(shí)，開(kāi)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備的干擾。所以，EMI和EMS問(wèn)題在電源產(chǎn)品中都需要重視。

　　(收集整理)

　　然而對于一個(gè)電源系統內有多個(gè)子系統的場(chǎng)合，多個(gè)子系統之間的電磁兼容問(wèn)題就更加尖銳。由于電源產(chǎn)品體積的限制，多個(gè)子系統在空間上一般都比較靠近，而且通常是共用一個(gè)輸入母線(xiàn)，因此，互相之間的干擾會(huì )更加嚴重。所以，這類(lèi)電源系統除了要防止對其他電源系統和設備的干擾，達到政府制定的標準外，還要考慮到電源系統內部子系統之間的相互干擾問(wèn)題，不然將會(huì )影響到整個(gè)系統的正常運行。

　　下面以一個(gè)軍用車(chē)載電源為例，闡述了在設計中應注意的原則，調試中出現的問(wèn)題，解決的方案，以及由此得到的經(jīng)驗。

　　1 電氣規格和基本方案

　　1.1 電氣規格

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

　　1.2 基本方案

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

　　2 布局上的考慮

　　因為，有兩路變換器放在同一塊PCB上，所以，布局上需要考慮的問(wèn)題更加多。

　　1）雖然在一塊PCB上，但是，兩個(gè)變換器還是應該盡量地拉開(kāi)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，中間為控制電路，并且兩組控制電路之間也盡量分開(kāi)。

　　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(kāi)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）該電源系統控制芯片的電源也是由輸入電壓提供，沒(méi)有另加輔助電源。在靠近每個(gè)芯片的地方都加一個(gè)高頻去耦電容（獨石電容）。此外，主電路輸入電壓和芯片的供電電壓是同一個(gè)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(gè)LC濾波或RC濾波電路，隔斷主電路和控制電路之間的傳導干擾。

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

　　3 調試中出現的問(wèn)題及解決辦法

　　該電源系統在調試過(guò)程中出現了以下問(wèn)題：正激變換器和反激變換器在單獨調試的時(shí)候非常正常，但是，在兩路同時(shí)工作時(shí)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(gè)現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，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)驗過(guò)程過(guò)于繁瑣，在這里就不描述了。

　　這些問(wèn)題的解決方法有很多種。下面給出幾種當時(shí)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(gè)變換器的輸出側加共模濾波器這樣不僅可以減小對負載的共模干擾，并且對自身的控制電路也有好處。因為，輸出電壓經(jīng)過(guò)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(huì )由此引入共模干擾信號。所以，在變換器的輸出側加共模濾波器是非常有必要的，不僅減小對負載的共模干擾，還會(huì )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(gè)共模濾波器這樣可以減少兩路變換器主電路之間的傳導干擾。因為，反激側差模電流較小，所以，將共模濾波器放在反激側，如圖3所示。另外，為了防止兩路電源之間的相互干擾，共模濾波器設計成π型，這樣從每一邊看都是一個(gè)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(kāi)關(guān)管上電壓尖峰明顯降低。同時(shí)共模騷擾源的強度也隨之降低。在不采用解決方案2）時(shí)，采用本方案也解決了問(wèn)題。而且，這種方法從根源上改善了電磁兼容性能，且繞組的趨膚效應和層間效應也都會(huì )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度為代價(jià)的，在原副邊絕緣要求高的場(chǎng)合并不適用。

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

　　5）開(kāi)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(gè)RC振蕩電路，參數上會(huì )有離散性，兩個(gè)頻率會(huì )有一定偏差。這樣兩路電源可能會(huì )產(chǎn)生一個(gè)拍頻引起振蕩。所以，也嘗試了用一個(gè)RC振蕩電路，一個(gè)PWM芯片由另一個(gè)PWM芯片來(lái)同步，這樣可以保證嚴格的同頻和同時(shí)開(kāi)通，對減少兩路電源之間的干擾會(huì )有一定好處。在這個(gè)電源系統中，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。

　　6）在二極管電路中串聯(lián)一個(gè)飽和電感，減小二極管的反向恢復，從而減小共模干擾源的強度在電流大的時(shí)候，飽和電感由于飽和而等效為一根導線(xiàn)。在二極管關(guān)斷過(guò)程中，正向電流減小到過(guò)零時(shí)，飽和電感表現出很大的電感量，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度。用這種方法抑制二極管的反向恢復也會(huì )造成一定的損耗，但是，由于使用的電感是非線(xiàn)形的，所以，額外損耗相對RC吸收來(lái)說(shuō)還是比較小的。

　　圖5（a）是正激變換器在沒(méi)有加飽和電感時(shí)續流二極管DR2的電壓波形，較高的振蕩電壓尖峰是很強的騷擾源。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度。

　　7）對反激變換器的主開(kāi)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(gè)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(lái)說(shuō)還是比較大的。若不加吸收電路，開(kāi)關(guān)管上電壓尖峰會(huì )比較高，這不僅增加了開(kāi)關(guān)管的電壓應力，而且也是一個(gè)很強的騷擾源。

　　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(kāi)關(guān)管結電容諧振產(chǎn)生的電壓尖峰。圖7(a)是沒(méi)有加吸收電路時(shí)，開(kāi)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(shí)，開(kāi)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，又出現了一些更細的振蕩電壓。該振蕩電壓是由于漏感和二極管D的結電容諧振產(chǎn)生的，靠RCD電路已經(jīng)無(wú)法將其吸收（R2，C2）。所以，又在開(kāi)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的結電容諧振產(chǎn)生的電壓尖峰。吸收后的波形如圖7(d)所示。

　　8）采用軟開(kāi)關(guān)電路上述解決方案1）－6）是在不改變現有電路拓撲的前提下降低電磁干擾所采用的方案。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，在選擇電路拓撲時(shí)就可以考慮有利于EMC的拓撲，這樣就不容易產(chǎn)生上面的問(wèn)題。其中采用控制性軟開(kāi)關(guān)拓撲就是一個(gè)很好的選擇。選用控制性軟開(kāi)關(guān)拓撲（例如移相全橋變換器、不對稱(chēng)半橋變換器、LLC諧振變換器），不僅可以減少開(kāi)關(guān)損耗，而且可以降低電壓尖峰，從而減弱騷擾源的強度。但是，采用緩沖型的軟開(kāi)關(guān)拓撲，不僅增加了很多附加電路，并且從降低EMI角度來(lái)說(shuō)也不一定有優(yōu)勢，因為，大多數緩沖型軟開(kāi)關(guān)拓撲將原先的振蕩能量轉移到附加的電路上了，還是會(huì )產(chǎn)生很強的EMI。

　　4 結語(yǔ)

　　由于在空間上一般都比較靠近，而且，通常是共用一個(gè)輸入母線(xiàn)，所以，在內部有多個(gè)子系統的電源系統中，多個(gè)子系統電源之間的電磁兼容問(wèn)題非常尖銳。在選擇電路拓撲時(shí)應盡量選用控制性軟開(kāi)關(guān)拓撲。在設計PCB板時(shí)應該注意多個(gè)子系統的位置關(guān)系和地線(xiàn)的安排。當電路中出現電壓尖峰時(shí)，可采用RCD或者RC等吸收電路。對于二極管的反向恢復問(wèn)題，可以采

　　用串聯(lián)飽和電感的方法來(lái)解決。在必要的時(shí)候還可以加合適的EMI濾波器來(lái)隔斷干擾的耦合途徑。

【論文：電源系統中多個(gè)子系統之間的電磁兼容問(wèn)題】相關(guān)文章：

Vista系統中電源管理的配置方案06-04

電子系統設計心得體會(huì )03-14

全國教師管理信息系統山西子系統入口01-19

電子系統工程師崗位職責05-17

物資管理系統論文08-06

庫存管理系統論文07-24

控制系統論文12-07

系統類(lèi)畢業(yè)論文03-10

家庭生活中電磁輻射問(wèn)題及預防09-14

企業(yè)工資管理系統的論文09-27