DC-DC電源模塊是通信系統(tǒng)的動力之源，已在通信領(lǐng)域中達(dá)到廣泛應(yīng)用。由于具有高頻率、寬頻帶和大功率密度，它自身就是一個強(qiáng)大的電磁干擾(EMI)源，嚴(yán)重時會導(dǎo)致周圍的電子設(shè)備功能紊亂，使通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)錯誤、出現(xiàn)異常的停機(jī)和報警等，造成不可彌補(bǔ)的后果;同時，DC-DC電源模塊本身也置身于周圍電磁環(huán)境中，對周圍的電磁干擾也很敏感(EMS)，如果沒有很好的抗電磁干擾能力，它也就不可能正常工作。因此，營造一種良好的電磁兼容(EMC)環(huán)境，是確保電子設(shè)備正常工作的前提，且也成為電子產(chǎn)品設(shè)計者的重要考慮因素。

DC-DC電源模塊EMC特點(diǎn)DC-DC電源模塊具有體積小、功率密度大、工作頻率高等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)直接導(dǎo)致電源內(nèi)部電磁環(huán)境復(fù)雜，同時也帶來了一系列高頻EMI的問題，產(chǎn)生的干擾對電源本身和周圍電子環(huán)境帶來很大的影響。為滿足日趨嚴(yán)格的國際電磁兼容法規(guī)，DC-DC電源模塊的EMC設(shè)計已經(jīng)成為電源設(shè)計中的首要問題之一。

DC-DC電源模塊的EMC問題主要有如下幾個特點(diǎn)： DC-DC電源模塊作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大;干擾源主要集中在功率開關(guān)器件以及與之相連的鋁基板和高頻變壓器;由于DC-DC電源模塊與其它電子電路相連緊湊，產(chǎn)生的EMI很容易造成不良影響。

DC-DC電源模塊的共模干擾信號(CM)和差模干擾信號(DM)的分布圖如圖1所示。這是分析干擾信號特性十分有用的列線圖。如果設(shè)備在某段頻率范圍內(nèi)有傳導(dǎo)干擾電平超標(biāo)，查閱該圖可得出是哪一種類型的傳導(dǎo)干擾信號占主導(dǎo)地位，從而指導(dǎo)改變EMI濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及參數(shù)等相應(yīng)措施加以解決。

DC-DC電源模塊的EMC設(shè)計屏蔽和接地

屏蔽能有效地抑制通過空間傳播的電磁干擾。采用屏蔽的目的有兩個：一是限制內(nèi)部的輻射電磁能越過某一區(qū)域;二是防止外來的輻射進(jìn)入某一區(qū)域。屏蔽是解決DC-DC電源模塊EMC問題的手段之一，目的是切斷電磁波的傳播途徑，主要是做好DC-DC電源模塊的機(jī)殼密封性屏蔽。接地的要點(diǎn)是電位相同、內(nèi)部電路不互相干擾、抵御外來干擾。盡量減少導(dǎo)線電感引起的阻抗，增加地環(huán)路的阻抗，減少地環(huán)路的干擾。

軟開關(guān)技術(shù)

應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)與零電流開關(guān)運(yùn)行可以大大減小功率器件的di/dt和dv/dt。即功率管能在零電壓下導(dǎo)通和零電流下關(guān)斷，若同時快速二極管也采用軟關(guān)斷，則可以大幅度降低DC-DC 轉(zhuǎn)換器的EMI水平。

DC/DC電源指的是直流轉(zhuǎn)直流的電路，有升壓降壓兩種電路，按理來說，LDO也是DCDC電源，但行業(yè)內(nèi)只認(rèn)為以開關(guān)形式實(shí)現(xiàn)的電源為DC/DC電源。

一，DC/DC基本拓?fù)?

Buck、Boost型

電感電壓伏秒平衡定律

一個功率變換器，當(dāng)輸入、負(fù)載和控制均為固定值時的工作狀態(tài)，在開關(guān)電源中，被稱為穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)下，功率變換器中的電感滿足電感電壓伏秒平衡定律：對于已工作在穩(wěn)態(tài)的DC/DC功率變換器，有源開關(guān)導(dǎo)通時加在功率電感上的正向伏秒一定等于有源開關(guān)截至?xí)r加在該電感上的反向伏秒。

1. BUCK降壓型

先來看一下原理圖

BUCK電路原理和信號轉(zhuǎn)變過程

當(dāng)PWM驅(qū)動高電平使得NMOS管S1導(dǎo)通，忽略MOS管的導(dǎo)通壓降，電感電流呈線性上升，此時電感正向伏秒為：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton

當(dāng)PWM驅(qū)動低電平使得NMOS管S1截至?xí)r，電感電流不能突變，經(jīng)過續(xù)流二極管形成回路(忽略二極管壓降)，給輸出負(fù)載供電，此時電感電流下降，此時電感反向伏秒為：V*Toff=Vo*(Ts-Ton)

根據(jù)電感電壓伏秒平衡定律可得：(Vin-Vo)*Ton=Vo*(Ts-Ton)

即 Vo=D*Vin (D為占空比)

2.BOOST升壓型

和BUCK電路類似的分析方法，當(dāng)MOS管導(dǎo)通時，電感的正向伏秒為：Vin*Ton;當(dāng)MOS管截至?xí)r，電感的反向伏秒為：(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

根據(jù)電感電壓伏秒平衡定律可得：Vin*Ton=(Vo- Vin)*(Ts-Ton)

即 Vo=Vin/(1-D)

matlab仿真圖：

matlab仿真圖

仿真Vout升壓過程

3.同步整流技術(shù)

由于二極管導(dǎo)通時至少存在0.3V的壓降，因此續(xù)流二極管D所消耗的功率將會稱為DC/DC電源主要功耗，從而嚴(yán)重限制了效率的提高。為解決該問題，以導(dǎo)通電阻極小的MOS管取代續(xù)流二極管。然后通過控制器同時控制開關(guān)管和同步整流管，要保證兩個MOS管不能同時導(dǎo)通，負(fù)責(zé)將會發(fā)生短路。

二、DC/DC電源調(diào)制方式

DC/DC電源屬于斬波類型，即按照一定的調(diào)制方式，不斷地導(dǎo)通和關(guān)斷高速開關(guān)，通過控制開關(guān)通斷的占空比，可以實(shí)現(xiàn)直流電源電平的轉(zhuǎn)換。DC/DC電源的調(diào)制方式有三種：PWM方式、PFM方式、PWM與PFM的混合方式。

1.PWM(脈沖寬度調(diào)制)

PWM采用恒定的開關(guān)頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電源電壓的輸出。在PWM調(diào)制方式下，開關(guān)頻率恒定，即不存在長時間被關(guān)斷的情況。

優(yōu)點(diǎn)：噪聲低、效率高，對負(fù)載的變化響應(yīng)速度快，且支持連續(xù)供電的工作模式。

缺點(diǎn)：輕負(fù)載時效率較低，且電路工作不穩(wěn)定，在設(shè)計上需要提供假負(fù)載。

2.PFM(脈沖頻率調(diào)制)

PFM通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電源電壓的輸出。PFM工作時，在輸出電壓超過上閾值電壓后，其輸出將關(guān)斷，直到輸出電壓跌落到低于下閾值電壓時，才重新開始工作。

優(yōu)點(diǎn)：功耗較低，輕負(fù)載時，效率高且無需提供假負(fù)載。

缺點(diǎn)：對負(fù)載變化響應(yīng)較慢，輸出電壓的噪聲和紋波相對較大，不適合工作于連續(xù)供電方式。

三、DC/DC芯片的內(nèi)部構(gòu)造

接下來我們來看看DC/DC電源芯片內(nèi)部的單元模塊，并且給大家看看基本拓?fù)渑c電源芯片的聯(lián)系，先來看一個圖。

一款電源背光IC的內(nèi)部原理框圖

1.Vref&Error Amp基準(zhǔn)電壓與誤差放大器

誤差放大器的作用就是將反饋電壓(FB引腳電壓)與基準(zhǔn)電壓(200mv)的差值進(jìn)行放大，然后再用該信號去控制PWM輸出信號的占空比。

2.Thermal Shutdown 溫度保護(hù)：當(dāng)溫度高于限定值，芯片停止工作。

3.soft start軟啟動電路：用于電源啟動時，減小浪涌電流，使輸出電壓緩慢上升，減小對輸入電源的影響。

四、DC/DC電路的硬件設(shè)計參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)

1.設(shè)置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過小會導(dǎo)致靜態(tài)電流過大，從而導(dǎo)致加大損耗;R2太大會導(dǎo)致靜態(tài)電流過小，而導(dǎo)致FB引腳的反饋電壓對噪聲敏感，一般在數(shù)據(jù)手冊中有推薦值范圍參考。選定R2，根據(jù)輸出電壓計算R1的值，R1=((Vout-Vref)/Vref)*R2。電壓選定以后，開關(guān)電源會自動調(diào)節(jié)占比總，取得我們想要的電壓。

2.電感：電感的選擇要滿足直到輸出最小規(guī)定電流時，電感電流也保持連續(xù)。在電感選取過程中需要綜合輸出電流、紋波、體積等多個因素進(jìn)行考慮。較大的電感將導(dǎo)致較小的紋波電流，從而導(dǎo)致較低的紋波電壓，但是電感越大，將具有更大的物理占用面積，更高的串聯(lián)電阻和更低的飽和電流。電感感值越小，開關(guān)電源PWM信號的頻率就越高，一般開關(guān)電源很少有好過10MHz的開關(guān)頻率，大部分在100K~1MHz之間，所需要的功率電感值在2.2uH~22uH之間。

3.輸出電容：輸出電容的選擇主要是根據(jù)設(shè)計中所需要的輸出紋波的要求來進(jìn)行選取。電容產(chǎn)生的紋波:相對很小，可以忽略不計;電容等效電感產(chǎn)生的紋波:在300KHz~500KHz以下，可以忽略不計;電容等效電阻產(chǎn)生的紋波：與ESR和流過電容電流成正比，該電流紋波主要是和開關(guān)管的開關(guān)頻率有關(guān)，基本為開關(guān)頻率的n次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。需要在開關(guān)電源輸出端增加pF級電容，減少百兆級噪聲的干擾。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源模塊因其相對體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)開始取代傳統(tǒng)整流電源而被廣泛應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域。但由于開關(guān)電源工作頻率高，內(nèi)部產(chǎn)生很快的電流、電壓變化，即 dv/dt 和 di/dt，導(dǎo)致開關(guān)電源模塊將產(chǎn)生較強(qiáng)的諧波干擾和尖峰干擾，并通過傳導(dǎo)、輻射和串?dāng)_等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)然其本身也會受到其它電子設(shè)備電磁干擾的影響。

這就是所討論的電磁兼容性問題，也是關(guān)于開關(guān)電源電磁兼容的電磁騷擾 EMD 與電磁敏感度 EMS 設(shè)計問題。由于國家開始對部分電子產(chǎn)品強(qiáng)制實(shí)行 3C 認(rèn)證，因此一個電子設(shè)備能否滿足電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，將關(guān)系到這一產(chǎn)品能否在市場上銷售，所以進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。

電磁兼容學(xué)是一門綜合性學(xué)科，它涉及的理論包括數(shù)學(xué)、電磁場理論、天線與電波傳播、電路理論、信號分析、通訊理論、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等。

進(jìn)行開關(guān)電源的電磁兼容性設(shè)計時，首先進(jìn)行一個系統(tǒng)設(shè)計，明確以下幾點(diǎn)：

1. 明確系統(tǒng)要滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn);

2. 確定系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵電路部分，包括強(qiáng)干擾源電路、高度敏感電路;

3. 明確電源設(shè)備工作環(huán)境中的電磁干擾源及敏感設(shè)備;

4. 確定對電源設(shè)備所要采取的電磁兼容性措施。

一、DC/DC 變換器內(nèi)部噪聲干擾源分析

1.二極管的反向恢復(fù)引起噪聲干擾

在開關(guān)電源中常使用工頻整流二極管、高頻整流二極管、續(xù)流二極管等，由于這些二極管都工作在開關(guān)狀態(tài)，如圖所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導(dǎo)通工作過程中，將產(chǎn)生一個很高的電壓尖峰 VFP;在二極管由導(dǎo)通狀態(tài)到阻斷工作過程中，存在一個反向恢復(fù)時間 trr，在反向恢復(fù)過程中，由于二極管封裝電感及引線電感的存在，將產(chǎn)生一個反向電壓尖峰 VRP，由于少子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，會產(chǎn)生瞬變的反向恢復(fù)電流 IRP，這種快速的電流、電壓突變是電磁干擾產(chǎn)生的根源。

電流電壓波形圖

二極管反向恢復(fù)時電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ?

2.開關(guān)管開關(guān)動作時產(chǎn)生電磁干擾

二極管反向恢復(fù)時電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ卧谡な?、推挽式、橋式變換器中，流過開關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，在反激變換器中，流過開關(guān)管的電流波形在阻性負(fù)載時近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關(guān)管在開通時，由于開關(guān)時間很短以及逆變回路中引線電感的存在，將產(chǎn)生很大的 dV/dt 突變和很高的尖峰電壓，在開關(guān)管的關(guān)斷時，由于關(guān)斷時間很短，將產(chǎn)生很大的 di/dt 突變和很高的電流尖峰，這些電流、電壓突變將產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾。

3.電感、變壓器等磁性元件引起的電磁干擾：在開關(guān)電源中存在輸入濾波電感、功率變壓器、隔離變壓器、輸出濾波電感等磁性元件，隔離變壓器初次級之間存在寄生電容，高頻干擾信號通過寄生電容耦合到次邊;功率變壓器由于繞制工藝等原因，原次邊耦合不理想而存在漏感，漏電感將產(chǎn)生電磁輻射干擾，另外功率變壓器線圈繞組流過高頻脈沖電流，在周圍形成高頻電磁場;電感線圈中流過脈動電流會產(chǎn)生電磁場輻射，而且在負(fù)載突切時，會形成電壓尖峰，同時當(dāng)它工作在飽和狀態(tài)時，將會產(chǎn)生電流突變，這些都會引起電磁干擾。

4.控制電路中周期性的高頻脈沖信號如振蕩器產(chǎn)生的高頻脈沖信號等將產(chǎn)生高頻高次諧波，對周圍電路產(chǎn)生電磁干擾。

5.此外電路中還會有地環(huán)路干擾、公共阻抗耦合干擾，以及控制電源噪聲干擾等。

6.開關(guān)電源中的布線設(shè)計非常重要，不合理布線將使電磁干擾通過線線之間的耦合電容和分布互感串?dāng)_或輻射到鄰近導(dǎo)線上，從而影響其它電路的正常工作。

7.熱輻射產(chǎn)生的電磁干擾，熱輻射是以電磁波的形式進(jìn)行熱交換，這種電磁干擾影響其它電子元器件或電路的正常穩(wěn)定工作。