淺析軍用車載DC—DC開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)

陳霽

摘 要：本文分析了軍用車載電源電磁兼容（EMC）要求的特點(diǎn)，簡(jiǎn)要分析了開關(guān)電源EMC產(chǎn)生機(jī)理，并著重介紹了軍用車載DC-DC開關(guān)電源的EMC電路設(shè)計(jì)、元器件選擇及PCB設(shè)計(jì)、機(jī)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：電磁兼容、EMC，軍用，車載，DC-DC，開關(guān)電源

隨著民用汽車上成熟穩(wěn)定的電子配置越來(lái)越多，功能越來(lái)越完善便捷，軍用汽車也逐步加入了民車中時(shí)尚的電子元素，而作為軍用汽車，由于其使用場(chǎng)合與民用汽車有很大差別，并且常會(huì)在車上外接一些特殊的軍用設(shè)備，如軍用電臺(tái)等，因此，軍用汽車上會(huì)裝備一種DC-DC開關(guān)電源，為軍用外接設(shè)備供電。

電磁兼容（EMC）指標(biāo)是整車VTS指標(biāo)中的重要組成部分，為保障整車通過(guò)EMC試驗(yàn)，車內(nèi)各電子電器零部件均需滿足相應(yīng)的EMC性能。軍車作為系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品，需通過(guò)GJB1389A中陸軍地面系統(tǒng)所規(guī)定的EMC試驗(yàn)；而作為車輛來(lái)說(shuō)，軍車還需通過(guò)國(guó)家規(guī)定的相關(guān)法規(guī)要求。因此，作為軍用車載電子電器零部件，既要滿足GJB151B中陸軍地面分系統(tǒng)所規(guī)定的EMC試驗(yàn)，同樣也要達(dá)到整車廠關(guān)于汽車零部件的各項(xiàng)EMC指標(biāo)。這就對(duì)軍用車載電子產(chǎn)品的EMC性能提出了更高的要求。

軍用車載DC-DC開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)要綜合考慮“軍用”和“車載”兩方面因素。既要滿足汽車電磁兼容設(shè)計(jì)需求，又要滿足軍用分系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)需求。因此，軍用車載DC-DC開關(guān)電源的EMC設(shè)計(jì)面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，在電路設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)、元器件選型、機(jī)殼設(shè)計(jì)及線束設(shè)計(jì)等諸多方面均需要考慮EMC要求，并加入相應(yīng)設(shè)計(jì)元素，以滿足產(chǎn)品的EMC性能要求。

1 電路設(shè)計(jì)

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和 MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源電路中產(chǎn)生干擾源的主要器件是開關(guān)管和變壓器。開關(guān)電源的分布參數(shù)也是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，開關(guān)電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級(jí)之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。

（1）EMI濾波器設(shè)計(jì)及仿真

DC-DC開關(guān)電源，為濾除差模噪聲和共模噪聲，實(shí)現(xiàn)電源和前級(jí)系統(tǒng)互不干擾，滿足電磁兼容指標(biāo)要求，一般設(shè)計(jì)輸入母線端兩級(jí)濾波電路，即入口EMI濾波器電路。濾波器中差模電容及差模電感的選擇，需要同電源的工作頻率和濾波器的截止頻率來(lái)計(jì)算。下圖為X型號(hào)DC-DC開關(guān)電源入口EMI濾波器的電路設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果。

（2）RC吸收電路

根據(jù)對(duì)開關(guān)電源電磁兼容性的分析，干擾源主要由開關(guān)管的快速通斷所產(chǎn)生的高電壓和電流變化率所產(chǎn)生，因此需要考慮降低電路中的高di/dt、dv/dt，從而降低干擾源。在開關(guān)管兩端并聯(lián)RC吸收電路是較好的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)電容和電阻緩沖吸收開關(guān)管通斷過(guò)程中產(chǎn)生的反向尖峰電流和尖峰電壓，從而減小高電壓和電流變化率。

（3）箝位電路

在電路中容易產(chǎn)生瞬變電壓的地方加入箝位電路設(shè)計(jì)，即加入TVS管設(shè)計(jì)，如開關(guān)管、整流二極管、脈寬調(diào)制電路輸出端、變壓器副邊輸出整流器等位置，即可有效吸收過(guò)高的瞬變電壓，也可以保護(hù)器件不受損壞。

2 元器件設(shè)計(jì)

開關(guān)電源中的元器件在高頻工作下都有高頻寄生特性，會(huì)對(duì)其工作狀態(tài)產(chǎn)生較大的影響。高頻工作時(shí)電容有了電感特性、電感有了電容特性、電阻可能發(fā)生共振，當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)各元件的頻率特性都產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。另外，在高頻時(shí)，導(dǎo)線的寄生電感會(huì)使其變成一根發(fā)射線，成為開關(guān)電源中的輻射干擾源。因此，為了保證開關(guān)電源在高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)要充分考慮元件在高頻工作時(shí)的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。

下面簡(jiǎn)要介紹幾種主要元器件的設(shè)計(jì)選擇經(jīng)驗(yàn).

（1）電阻

由于表面貼裝元件具有低寄生參數(shù)的特點(diǎn)，因此，參數(shù)允許的條件下盡量選用表面貼裝電阻。對(duì)于有引腳的電阻，優(yōu)先選擇金屬膜電阻，其次是線繞電阻。

（2）電容

鋁電解電容和鉭電解電容適用于低頻終端，主要是存儲(chǔ)器和低頻濾波器領(lǐng)域。在中頻范圍內(nèi)（從KHz到MHz），陶瓷電容比較適合，常用于去耦電路和高頻濾波。因此設(shè)計(jì)中去耦電容選用陶瓷電容，而濾波器選用高頻特性好的薄膜電容。

（3）電感

選用閉環(huán)電感，磁場(chǎng)被完全控制在磁心，因此在電路設(shè)計(jì)中這種類型的電感更理想。

（4）二極管

功率續(xù)流二極管選用正向壓降小，反向恢復(fù)時(shí)間短的肖特基二極管。部分敏感部位選用TVS去除瞬時(shí)尖峰脈沖。

（5）集成電路

選用成熟的脈寬調(diào)制控制芯片，設(shè)計(jì)參考典型電路，增加去耦電容，設(shè)計(jì)過(guò)/欠壓保護(hù)電路。

（6）變壓器

變壓器初、次級(jí)之間的分布電容可以傳輸共模干擾，變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組的結(jié)構(gòu)和制造工藝均有關(guān)系。另外變壓器原副邊的漏感也是噪聲源，因此變壓器的選擇需選取漏感小的變壓器。

3 印制板設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)印制板的過(guò)程中，為減少因印制板線間干擾，一般遵循以下設(shè)計(jì)原則：

（1）信號(hào)線增大走線的間距以減少電容耦合的串?dāng)_；

（2）平行的布電源線和地線以使PCB電容達(dá)到最佳；

（3）將敏感的高頻線布在遠(yuǎn)離高噪聲電源線的地方；

（4）加寬電源線和地線以減少電源線和地線的阻抗，且地線要比電源線粗；

（5）功率電路與控制電路分開、易受干擾的遙測(cè)/遙控電路與高頻器件遠(yuǎn)離；

（6）模塊化電路布局，并盡量按電流走向進(jìn)行整體布局；

（7）整體設(shè)計(jì)磁性元件（電感、變壓器）的安裝方向和距離，盡量減少磁場(chǎng)耦合；

（8）布線時(shí)盡量減小高頻電流環(huán)路包圍的面積和高dv/dt導(dǎo)體的面積

（9）內(nèi)部地線設(shè)計(jì)方式，功率地與信號(hào)地分開，最終采用單點(diǎn)接地，并與機(jī)殼相連；

（10）PCB板空白區(qū)域敷銅填滿。

4 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開關(guān)電源外殼機(jī)箱最好采用金屬材質(zhì)，以達(dá)到屏蔽效果。機(jī)箱整體采用一體化設(shè)計(jì)；機(jī)箱蓋板與機(jī)箱的搭接距離大于1mm，搭接電阻小于10mΩ；如機(jī)箱帶散熱孔，散熱孔的直徑需按照電源高發(fā)射量的頻率進(jìn)行計(jì)算，直徑要小于輻射發(fā)射頻譜的波長(zhǎng)，以使外殼形成良好的屏蔽作用。

總結(jié)：眾所周知，開關(guān)電源屬于騷擾源，因此在整車布置中，需選擇遠(yuǎn)離敏感設(shè)備的位置進(jìn)行布置。根據(jù)開關(guān)電源輻射發(fā)射波形，在發(fā)射量較高的頻段或頻點(diǎn)，需保證周圍電子設(shè)備在這些頻段或頻點(diǎn)內(nèi)無(wú)電磁敏感現(xiàn)象，以達(dá)到良好的自兼容性。以上是本人針對(duì)軍用車載DC-DC開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的一些思路。