DC-DC電源模塊是通信系統(tǒng)的動力之源，已在通信領域中達到廣泛應用。由于具有高頻率、寬頻帶和大功率密度，它自身就是一個強大的電磁干擾(EMI)源，嚴重時會導致周圍的電子設備功能紊亂，使通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)錯誤、出現(xiàn)異常的停機和報警等，造成不可彌補的后果;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，是確保電子設備正常工作的前提，且也成為電子產(chǎn)品設計者的重要考慮因素。
DC-DC電源模塊EMC特點DC-DC電源模塊具有體積小、功率密度大、工作頻率高等特點，這些特點直接導致電源內(nèi)部電磁環(huán)境復雜，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。為滿足日趨嚴格的國際電磁兼容法規(guī)，DC-DC電源模塊的EMC設計已經(jīng)成為電源設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： DC-DC電源模塊作為工作于開關狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，產(chǎn)生的干擾強度較大;干擾源主要集中在功率開關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。如果設備在某段頻率范圍內(nèi)有傳導干擾電平超標，查閱該圖可得出是哪一種類型的傳導干擾信號占主導地位，從而指導改變EMI濾波器的網(wǎng)絡結(jié)構及參數(shù)等相應措施加以解決。
DC-DC電源模塊的EMC設計屏蔽和接地
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電源模塊的機殼密封性屏蔽。接地的要點是電位相同、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。
軟開關技術
應用軟開關技術，實現(xiàn)零電壓開關與零電流開關運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通和零電流下關斷，若同時快速二極管也采用軟關斷，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)只認為以開關形式實現(xiàn)的電源為DC/DC電源。
一，DC/DC基本拓撲
Buck、Boost型
電感電壓伏秒平衡定律
一個功率變換器，當輸入、負載和控制均為固定值時的工作狀態(tài)，在開關電源中，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，有源開關導通時加在功率電感上的正向伏秒一定等于有源開關截至時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PWM驅(qū)動高電平使得NMOS管S1導通，忽略MOS管的導通壓降，電感電流呈線性上升，此時電感正向伏秒為：V*Ton=(Vin-Vo)*Ton
當PWM驅(qū)動低電平使得NMOS管S1截至時，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MOS管導通時，電感的正向伏秒為：Vin*Ton;當MOS管截至時，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
由于二極管導通時至少存在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，從而嚴重限制了效率的提高。為解決該問題，以導通電阻極小的MOS管取代續(xù)流二極管。然后通過控制器同時控制開關管和同步整流管，要保證兩個MOS管不能同時導通，負責將會發(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，不斷地導通和關斷高速開關，通過控制開關通斷的占空比，可以實現(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采用恒定的開關頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來實現(xiàn)穩(wěn)定電源電壓的輸出。在PWM調(diào)制方式下，開關頻率恒定，即不存在長時間被關斷的情況。
優(yōu)點：噪聲低、效率高，對負載的變化響應速度快，且支持連續(xù)供電的工作模式。
缺點：輕負載時效率較低，且電路工作不穩(wěn)定，在設計上需要提供假負載。
2.PFM(脈沖頻率調(diào)制)
PFM通過調(diào)節(jié)開關頻率以實現(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：功耗較低，輕負載時，效率高且無需提供假負載。
缺點：對負載變化響應較慢，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撲與電源芯片的聯(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)與基準電壓(200mv)的差值進行放大，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：當溫度高于限定值，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電路的硬件設計參數(shù)選擇標準
1.設置輸出電壓：先選擇合適的R2,R2過小會導致靜態(tài)電流過大，從而導致加大損耗;R2太大會導致靜態(tài)電流過小，而導致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、體積等多個因素進行考慮。較大的電感將導致較小的紋波電流，從而導致較低的紋波電壓，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，開關電源PWM信號的頻率就越高，一般開關電源很少有好過10MHz的開關頻率，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)設計中所需要的輸出紋波的要求來進行選取。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管的開關頻率有關，基本為開關頻率的n次諧波，為了減少紋波，讓ESR盡量小。需要在開關電源輸出端增加pF級電容，減少百兆級噪聲的干擾。
隨著電力電子技術的發(fā)展，開關電源模塊因其相對體積小、效率高、工作可靠等優(yōu)點開始取代傳統(tǒng)整流電源而被廣泛應用到社會的各個領域。但由于開關電源工作頻率高，內(nèi)部產(chǎn)生很快的電流、電壓變化，即 dv/dt 和 di/dt，導致開關電源模塊將產(chǎn)生較強的諧波干擾和尖峰干擾，并通過傳導、輻射和串擾等耦合途徑影響自身電路及其它電子系統(tǒng)的正常工作，當然其本身也會受到其它電子設備電磁干擾的影響。
這就是所討論的電磁兼容性問題，也是關于開關電源電磁兼容的電磁騷擾 EMD 與電磁敏感度 EMS 設計問題。由于國家開始對部分電子產(chǎn)品強制實行 3C 認證，因此一個電子設備能否滿足電磁兼容標準，將關系到這一產(chǎn)品能否在市場上銷售，所以進行開關電源的電磁兼容性研究顯得非常重要。
電磁兼容學是一門綜合性學科，它涉及的理論包括數(shù)學、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、生物醫(yī)學等。
進行開關電源的電磁兼容性設計時，首先進行一個系統(tǒng)設計，明確以下幾點：
1. 明確系統(tǒng)要滿足的電磁兼容標準;
2. 確定系統(tǒng)內(nèi)的關鍵電路部分，包括強干擾源電路、高度敏感電路;
3. 明確電源設備工作環(huán)境中的電磁干擾源及敏感設備;
4. 確定對電源設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引起噪聲干擾
在開關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狀態(tài)，如圖所示，在二極管由阻斷狀態(tài)到導通工作過程中，將產(chǎn)生一個很高的電壓尖峰 VFP;在二極管由導通狀態(tài)到阻斷工作過程中，存在一個反向恢復時間 trr，在反向恢復過程中，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合效應，會產(chǎn)生瞬變的反向恢復電流 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
二極管反向恢復時電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ?
2.開關管開關動作時產(chǎn)生電磁干擾
二極管反向恢復時電流電壓波形 二極管正向?qū)娏麟妷翰ㄐ卧谡な健⑼仆焓健蚴阶儞Q器中，流過開關管的電流波形在阻性負載時近似矩形波，含有豐富的高頻成分，這些高頻諧波會產(chǎn)生很強的電磁干擾，在反激變換器中，流過開關管的電流波形在阻性負載時近似三角波，高次諧波成分相對較少。開關管在開通時，由于開關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，在開關管的關斷時，由于關斷時間很短，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，而且在負載突切時，會形成電壓尖峰，同時當它工作在飽和狀態(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.開關電源中的布線設計非常重要，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擾或輻射到鄰近導線上，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。
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