船用電子設(shè)備中開關(guān)電源的電磁輻射

， ， ， ，

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 武漢 430063)

船用電子設(shè)備中開關(guān)電源的電磁輻射

楊偉，金華標(biāo)，魏柳新，趙海鷗，喻方平

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430063)

為研究RC緩沖電路對(duì)開關(guān)電源電磁輻射的影響，對(duì)buck型開關(guān)電源基本電路進(jìn)行仿真，對(duì)比加入RC緩沖電路前后開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的諧振波形，通過傅里葉變換分析RC緩沖電路對(duì)電磁輻射的影響規(guī)律。通過分析得到以下結(jié)論：RC緩沖電路在低頻段可有效降低buck型開關(guān)電源的電磁輻射水平，在高頻段反而會(huì)使電磁輻射增強(qiáng)；減小RC緩沖電路與二極管構(gòu)成的回路面積可降低buck型開關(guān)電源的電磁輻射水平。通過試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論的正確性，可為開關(guān)電源中RC緩沖電路的使用提供參考。

船用電子設(shè)備；buck型開關(guān)電源；RC緩沖電路；電磁輻射；諧振

Abstract: The simulation of a basic DC-DC buck converter with/without a snubber circuit is performed to investigate the effect of the snubber circuit. The resonant waveforms at the switch node is compared and analyzed in their Fourier transforms. The analysis indicates that the RC snubber circuit can effectively reduce the electromagnetic radiation of DC-DC buck converter in lower frequency range but will increase it at higher frequency end, and keeping the area of the RC snubber circuit-diode loop small will make the electromagnetic radiation of DC-DC buck converter smaller. The conclusion is verified by experiments.

Keywords: marine electronic equipment; DC-DC buck converter; RC snubber circuit; electromagnetic radiation; resonance

隨著船舶自動(dòng)化程度不斷提高，越來越多的電子設(shè)備被應(yīng)用到船舶通信、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)診斷及控制等領(lǐng)域中，僅在駕駛臺(tái)就布置有雷達(dá)、全球定位系統(tǒng)、船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、陀螺羅經(jīng)及甚高頻通信設(shè)備等十余種電子設(shè)備。國際海上人命安全公約(International Convention for Safety of Life at Sea, SOLAS)[1]規(guī)定：各國主管機(jī)關(guān)應(yīng)確保安裝在2002年7月1日及以后建造的船舶上的位于駕駛臺(tái)或鄰近駕駛臺(tái)的所有電氣和電子設(shè)備必須滿足電磁兼容性要求。國內(nèi)有關(guān)電磁兼容的研究起步較晚，船舶電磁兼容方面的研究更少，導(dǎo)致產(chǎn)品設(shè)計(jì)中出現(xiàn)很多電磁兼容問題，尤其是輻射問題。文獻(xiàn)[2]研究2006—2008年在上海工業(yè)儀表自動(dòng)化研究所進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)的13套國產(chǎn)船載航行數(shù)據(jù)記錄儀的測(cè)試結(jié)果，其中因外殼端口輻射導(dǎo)致電磁兼容試驗(yàn)不合格的就有6套。

開關(guān)電源因具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)而在船用電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。[3]然而，由于開關(guān)電源的工作原理特殊，電磁兼容性較差，這使得開關(guān)電源成為船用電子設(shè)備主要的電磁干擾源之一。[4]為改善開關(guān)電源的電磁兼容性能，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)開關(guān)電源的電磁干擾機(jī)理進(jìn)行了較多研究，提出了很多有針對(duì)性的抑制方案。這其中，RC緩沖電路是一種較為常用的設(shè)計(jì)方法，主要用于抑制開關(guān)器件在開關(guān)狀態(tài)改變瞬間產(chǎn)生的諧振。文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹RC緩沖電路的原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用；文獻(xiàn)[6]利用RC緩沖電路對(duì)隔離式開關(guān)電源整流二極管處的浪涌電壓進(jìn)行抑制；文獻(xiàn)[7]利用RC緩沖電路對(duì)正激變換器中開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的尖峰電壓進(jìn)行抑制。雖然關(guān)于RC緩沖電路的研究較多，但大多以改善開關(guān)器件處的諧振波形為主，對(duì)電磁輻射的研究不夠深入。文獻(xiàn)[8]研究RC緩沖電路對(duì)同步式開關(guān)電源電磁輻射的影響，但僅對(duì)比電磁輻射的最大值，且缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[9]指出開關(guān)電源常造成30～300 MHz頻段輻射超標(biāo)，因此研究RC緩沖電路對(duì)開關(guān)電源電磁輻射的影響具有一定意義。開關(guān)電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有buck，boost和buck-boost等3種，其中buck型開關(guān)電源因具有體積小、質(zhì)量輕和成本低等優(yōu)點(diǎn)而在微型計(jì)算機(jī)、小型開關(guān)電源模塊、輔助電源及通信設(shè)備的二次電源等小功率場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用[10]，因此這里以buck型開關(guān)電源為研究對(duì)象。在buck型開關(guān)電源中，RC緩沖電路一般并聯(lián)在二極管兩端，用于抑制開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的諧振。通過CST仿真并結(jié)合理論分析，研究RC緩沖電路對(duì)buck型開關(guān)電源電磁輻射的影響，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 buck型開關(guān)電源電磁干擾分析

1.1 buck型開關(guān)電源基本工作原理

根據(jù)文獻(xiàn)[11]中buck型開關(guān)電源的基本工作原理，可得buck型開關(guān)電源基本電路見圖1。將功率半導(dǎo)體器件Q1作為開關(guān)，將輸入直流電壓斬波為方波，經(jīng)低通濾波即可輸出直流電壓。工作過程為：PWM controller輸出脈沖占空比可調(diào)的脈沖群以控制開關(guān)Q1的通斷，通過調(diào)節(jié)脈沖占空比達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的；當(dāng)開關(guān)Q1導(dǎo)通時(shí)，二極管D1截止，電源向電感和電容充電并向負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)Q1截止時(shí)，電感和電容通過二極管D1向負(fù)載供電。

圖1 buck型開關(guān)電源基本電路

1.2 buck型開關(guān)電源電磁干擾分析

隨著開關(guān)Q1的通斷，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW處電壓波形應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的方波，但由于實(shí)際電路中有源器件(開關(guān)和二極管)、無源器件(電阻、電容、電感)及印制電路板均為非理想性的，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW處的電壓波形會(huì)與理想狀態(tài)有很大不同。圖2為考慮非理想性的buck型開關(guān)電源原理圖，其中，L_loop 1，L_loop 2，L_loop 3和L_loop 4為回路走線的寄生電感，Cj為二極管D1的寄生電容。

圖2 buck型開關(guān)電源原理圖(考慮非理想性)

由圖2可知，二極管D1的寄生電容Cj與回路走線的寄生電感L_loop 4將構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，因此在開關(guān)Q1打開瞬間，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW處將發(fā)生諧振現(xiàn)象。諧振頻率的計(jì)算式為

(1)

諧振電流會(huì)自動(dòng)尋找阻抗最小的路徑進(jìn)行回流，由于功率電感L的值一般很大，因此諧振電流不會(huì)通過功率電感；與二極管距離較近的輸入去耦電容可提供較小的回路電感，回路電感越小，回路阻抗也就越小。因此，諧振電流的完整回路如圖2虛線所示，下面將該回路統(tǒng)一稱為“輸入去耦電容-二極管回路”。[12]

由于在開關(guān)Q1打開瞬間“輸入去耦電容-二極管回路”中存在高頻的諧振電流，因此將造成嚴(yán)重的差模電磁輻射，文獻(xiàn)[13]給出遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)(D>c/2πf)的電磁輻射計(jì)算式為

(2)

式(2)中：I為差模電流幅值；A為差模輻射面積；f為差模電流頻率；D為測(cè)試點(diǎn)距輻射源距離；c為光在真空中的傳播速度；Z0為自由空間波阻抗(遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)時(shí)為一個(gè)定值)。

2 RC緩沖電路對(duì)buck型開關(guān)電源電磁輻射影響的仿真分析

為驗(yàn)證RC緩沖電路對(duì)buck型開關(guān)電源電磁輻射的影響，在CST[14]設(shè)計(jì)工作室中繪制考慮非理想性的buck型開關(guān)電源原理圖(見圖3)，其中，3 nH電感為回路走線的寄生電感，二極管D1的寄生電容為500 pF，RC緩沖電路為10 Ω電阻與330 pF電容串聯(lián)，激勵(lì)設(shè)置為幅值30 V,周期3.4 μs,占空比20.8%,上升/下降時(shí)間20 ns/20 ns的電壓源。分別在二極管和RC緩沖電路處放置probe，以獲取其電流波形。仿真結(jié)果見圖4。

圖3 buck型開關(guān)電源原理圖仿真

a) 加入RC緩沖電路前

b) 加入RC緩沖電路后

由圖4可知，加入RC緩沖電路后發(fā)生諧振時(shí)二極管處的電流衰減較快。但由式(2)可知，在差模輻射面積A,測(cè)試點(diǎn)距輻射源距離D及自由空間波阻抗Z0一定時(shí)，電磁輻射強(qiáng)度與差模電流幅值I和差模電流頻率f有關(guān)。因此，必須對(duì)二極管處諧振電流的時(shí)域波形進(jìn)行傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻譜，只有如此才能直觀地對(duì)比RC緩沖電路對(duì)電磁輻射的影響。利用CST的數(shù)據(jù)處理功能對(duì)圖4所示的二極管處諧振電流波形進(jìn)行傅里葉變換，結(jié)果見圖5(為方便對(duì)比，對(duì)原圖進(jìn)行處理，由于保留了典型的峰值點(diǎn)，因此不影響對(duì)比結(jié)果，圖7和圖8同理)。從圖5中可看出，RC緩沖電路在低頻段可有效降低差模電流，但在高頻段反而會(huì)增大差模電流。由此可推斷，在低頻段使用RC緩沖電路可有效降低buck型開關(guān)電源的電磁輻射水平，而在高頻段使用RC緩沖電路反而會(huì)使電磁輻射增強(qiáng)。

另外，由式(2)可知電磁輻射強(qiáng)度還與差模輻射面積有關(guān)。由于加入了RC緩沖電路，且在開關(guān)Q1打開瞬間RC緩沖電路勢(shì)必會(huì)有電流通過，因此RC緩沖電路引入的額外回路面積(RC緩沖電路與二極管構(gòu)成的回路面積)將在一定程度上增強(qiáng)buck型開關(guān)電源的電磁輻射。由此可知，減小RC緩沖電路與二極管構(gòu)成的回路面積可減小buck型開關(guān)電源的電磁輻射。

圖5 加入RC緩沖電路前后二極管處電流頻譜

3 RC緩沖電路對(duì)buck型開關(guān)電源電磁輻射影響的試驗(yàn)對(duì)比

為驗(yàn)證上述仿真分析結(jié)果，進(jìn)行RC緩沖電路對(duì)buck型開關(guān)電源電磁輻射影響的試驗(yàn)對(duì)比，試驗(yàn)在國家光電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行。

試驗(yàn)首先以TI公司提供的LM5575開關(guān)電源評(píng)估板為研究對(duì)象，該評(píng)估板在出廠時(shí)已采用RC緩沖電路對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的諧振進(jìn)行抑制(見圖6)。試驗(yàn)對(duì)比拆掉RC緩沖電路前后LM5575開關(guān)電源評(píng)估板的電磁輻射強(qiáng)度(見圖7)。從圖7中可看出，RC緩沖電路在低頻段可有效地降低LM5575開關(guān)電源評(píng)估板的電磁輻射水平，而在高頻段反而使電磁輻射有所增強(qiáng)。

圖6 LM5575開關(guān)電源評(píng)估板和LM5575開關(guān)電源試驗(yàn)板

圖7 RC緩沖電路對(duì)電磁輻射的影響

為驗(yàn)證減小RC緩沖電路與二極管構(gòu)成的回路面積對(duì)buck型開關(guān)電源電磁輻射的影響，制作LM5575開關(guān)電源試驗(yàn)板(如圖6所示)。試驗(yàn)對(duì)比減小RC緩沖電路與二極管構(gòu)成的回路面積前后LM5575開關(guān)電源試驗(yàn)板的電磁輻射強(qiáng)度(見圖8)。從圖8中可看出，減小RC緩沖電路與二極管構(gòu)成的回路面積之后電磁輻射有所降低。

圖8 RC緩沖電路與二極管面積對(duì)電磁輻射的影響

4 結(jié)束語

借助CST仿真軟件分析RC緩沖電路對(duì)buck型開關(guān)電源電磁輻射的影響，得到以下結(jié)論：

(1)RC緩沖電路在低頻段可有效降低buck型開關(guān)電源的電磁輻射水平，在高頻段反而會(huì)使電磁輻射增強(qiáng)；

(2)減小RC緩沖電路與二極管構(gòu)成的回路面積可降低buck型開關(guān)電源的電磁輻射水平。

試驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。該研究對(duì)船用電子設(shè)備中開關(guān)電源的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] IMO. SOLAS Consolidated Edition 2009：ISBN 978-92-801-1505-5[S].

[2] 肖愛珍.航行數(shù)據(jù)記錄儀與電磁兼容[J].氣象水文海洋儀器,2008(1):14-15.

[3] 李炯,劉彥呈,張潔喜,等.開關(guān)電源在現(xiàn)代船舶上的應(yīng)用分析[J].造船技術(shù),2013(3):34-37.

[4] 何強(qiáng).船舶電磁兼容案例及分析[J].船海工程,2011, 40(5):101-105.

[5] TODD PC. Snubber Circuits: Theory, Design and Application[J]. Unitrode Corporation, 1993:1-17.

[6] ORIKAWA K, ITOH J I. Analysis and Optimization Design of Snubber Circuit for Isolated DC-DC Converters in DC Power Grid[C]//Renewable Energy Research and Applications(ICRERA),2012 International Conference on IEEE,2012:1-6.

[7] 梁偉恩,付翔,楊軍.開關(guān)電源中RC緩沖電路的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用,2010(6):40-42.

[8] GILL R，STEWART DE.SPICE Analysis of RL and RC Snubber Circuits for Synchronous Buck DC-DC Converters[J].International Convention on Information & Communication Technology，Electronic & Microelectronic, 2015, 21(1):91-97.

[9] 和軍平,紀(jì)科健,付琦,等.開關(guān)電源遠(yuǎn)場(chǎng)共模電磁輻射模型及其特性研究[J].電工電能新技術(shù),2012,31(3):25-30.

[10] 付琦. Buck變換器遠(yuǎn)場(chǎng)輻射預(yù)測(cè)與改善技術(shù)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011:9.

[11] HUANG L, YU F P, LIU T L, et al. Study on EMI Reduction of DC-DC Buck Converter[J].Advanced Materials Research, 2014, 893:742-746.

[12] BHARGAVA A, POMMERENKE D, KAM K W, et al. DC-DC Buck Converter EMI Reduction Using PCB Layout Modification[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2011, 53(3):806-813.

[13] MARDIGUIAN M.輻射發(fā)射控制設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2008:12-15.

[14] CST. CST工作室套裝?用戶系列叢書[M]. 上海： CST China Ltd., 2014:1076-1078.

Electromagnetic Radiation of Switching Power Supply in Marine Electronic Equipment

YANGWei,JINHuabiao,WEILiuxin,ZHAOHaiou,YUFangping

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

1000-4653(2016)04-0034-04

U665.26

A

2016-08-06

國家自然科學(xué)基金(51109172)

楊 偉(1990—),男,湖北南漳人，碩士生，從事船用電子設(shè)備電磁兼容性研究。E-mail: frankyang_wei@163.com 金華標(biāo)(1976—)，男，江西臨川人，副教授，博士，從事船用電子設(shè)備電磁兼容性研究。E-mail:yx_jhb@163.com