航天器DC-DC模塊電源電磁兼容設(shè)計

摘要

針對航天器用DC-DC模塊電源電磁兼容設(shè)計中的發(fā)射干擾(RE102~CE102)，探尋其產(chǎn)生發(fā)射干擾的根源，并分析DC-DC模塊電源輸入輸出端EMI的產(chǎn)生原因，闡述了工程中常用的抑制EMI的方法：濾波器設(shè)計法、印制板EMC設(shè)計法。對干擾測試結(jié)果超標(biāo)的DC-DC模塊電源采取相應(yīng)的抑制措施后，測試結(jié)果有了顯著的改善。

1、航天器DC-DC模塊電源發(fā)射干擾測試要求

航天器對DC-DC模塊電源的電磁兼容性(EMC)測試包括了發(fā)射干擾和干擾敏感度共8個測試項目。由于DC-DC模塊電源的工作方式?jīng)Q定了它的電磁兼容設(shè)計的重要性，其中最為突出的就是模塊電源發(fā)射干擾，包括輻射發(fā)射(RE102)和傳導(dǎo)發(fā)射(CE102)。

航天器DC-DC模塊電源的發(fā)射干擾RE102和CE102的測試以GJB151A一1997 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求 為基礎(chǔ)，并參考了航天器設(shè)備對特定頻段的特殊要求。

2、DC-DC模塊電源電磁干擾分析

航天器DC-DC模塊電源，按目前國內(nèi)應(yīng)用情況，輸入電壓可分為28 V、42 V~NIO0 V三種，輸出功率從幾瓦到上百瓦。DC-DC模塊電源是以功率半導(dǎo)體開關(guān)器件為核心的高頻功率電子電路，通過半導(dǎo)體開關(guān)器件周期性通斷工作，控制開關(guān)元件的時間占空比來調(diào)整輸出電壓。脈寬調(diào)制器(PWM)的工作方式使得模塊電源不可避免地產(chǎn)生周期雜波，雜波的頻譜分布在開關(guān)頻率點(diǎn)和其高階諧波頻率點(diǎn)。如圖1所示，DC-DC模塊電源電磁干擾(EMI)包括輻射發(fā)射(RE)、傳導(dǎo)發(fā)射(CE)、輻射敏感度(RS)和傳導(dǎo)敏感度(CS)。

DC-DC模塊電源的小型化和高頻化是其發(fā)展趨勢，但同時帶來了更加嚴(yán)重的EMC問題。DC-DC模塊電源中開關(guān)管MOSFET和整流二極管在導(dǎo)通和截止的過程中，快速的上升和下降時，大電流變化所產(chǎn)生的輻射能量已經(jīng)成為噪聲的主要來源。由印制板元器件布局引起的模塊電源內(nèi)部元器件之間的寄生電容及印制板布線引起的寄生電容也是產(chǎn)生EMI的根源之一。

3、航天器DC-DC模塊電源EMC設(shè)計

3、1輸入輸出端EM1分析與濾波器設(shè)計

3．1．1輸入輸出端EM1分析

DC-DC模塊電源中，由于寄生參數(shù)的存在以及開關(guān)管的高速導(dǎo)通和關(guān)斷，使得模塊電源在輸入輸出端產(chǎn)生較大的干擾噪聲。干擾噪聲是差模分量和共模分量共同作用的結(jié)果。差模噪聲就是通常意義上的噪聲，產(chǎn)生的干擾信號與工作信號將以電勢源的形式串聯(lián)加于模塊電源的輸入端，會對系統(tǒng)產(chǎn)生直接的影響。共模噪聲發(fā)生在每根傳輸線和地線之間。共模干擾是由共模電流引起的，DC—DC模塊電源中的各器件之間和器件與機(jī)殼之間都存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，這些寄生參數(shù)構(gòu)成了一個寄生傳輸網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)功率開關(guān)高速開通與關(guān)斷時，會產(chǎn)生一個脈沖序列一一脈沖源，該脈沖源通過寄生傳輸網(wǎng)絡(luò)在模塊電源的輸入、輸出線與地線之間產(chǎn)生共模電流干擾。

3．1 2 EMI濾波器設(shè)計

電磁干擾從設(shè)備內(nèi)發(fā)射出來或進(jìn)入設(shè)備只有兩個途徑，就是空間電磁輻射的形式和電流沿著導(dǎo)體傳導(dǎo)的形式?，F(xiàn)在我們已經(jīng)認(rèn)識到輸入輸出濾波器不僅對電源線傳導(dǎo)發(fā)射(CE102)和傳導(dǎo)敏感度(CS101)的測試有作用，還對輻射發(fā)射(RE102)、電纜束注入傳導(dǎo)敏感度和靜電放電的測試有作用，因為通過試驗已證明，電源線及各種輸入輸出引線產(chǎn)生的輻射遠(yuǎn)高于線路板本身的輻射及機(jī)殼機(jī)箱屏蔽不完整所產(chǎn)生的輻射，設(shè)備引線是主要的輻射源，同時又是敏感度很高的接收器，在EMC測試中，輻射敏感度、電纜束注入敏感度、靜電放電等測試會在電源線上產(chǎn)生共模電壓，當(dāng)共模電壓轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ妷簳r，就會對電路產(chǎn)生影響。

由于DC-DC模塊電源的主要干擾源是由開關(guān)頻率產(chǎn)生的高次諧波，而且高頻電磁波更容易接收而對設(shè)備造成干擾，因此這些干擾均以高頻為主，所以EMI濾波器采用低通濾波器。

低通濾波器的電路形式有多種。濾波器的選擇主要取決于要抑制的干擾頻率與工作頻率之間的差別和濾波器所接電路的阻抗。但是實際電路的阻抗很難估算，特別是在高頻時，由于電路受雜散參數(shù)的影響，電路的阻抗變化很大，而且電路阻抗在不同的頻率上也不一樣。因此，在實際電路中，哪一種濾波器更有效，主要依據(jù)試驗的結(jié)果確定。

我們在DC-DC模塊電源中設(shè)計的EMI濾波器電路如圖2、圖3。圖2中的C1、C2和圖3中的C4、C5是濾除共模干擾用的Y電容(跨接在正線和回線與機(jī)殼之間，對共模電流起旁路作用，共模濾波電容一般取10 000 pF以下)同時，將輸入、輸出端正線和回線同向共磁芯繞制成共模電感L1，抑制共模噪聲干擾。為了獲得良好的濾波效果，要求X和Y電容的引線必須盡可能短。

3．2 印制電路板(PCB)的EMC設(shè)計

PCB設(shè)計中，電路布局直接影響電磁干擾和抗干擾度特性。每一個DC-DC模塊電源都有4個電流回路：輸入電流回路、開關(guān)交流回路、輸出整流交流回路、輸出負(fù)載電流回路，各回路之間應(yīng)保持相對獨(dú)立。輸入電流回路和輸出負(fù)載電流回路通常不會產(chǎn)生電磁干擾，這些回路中的電流波形為大的直流電流和小的交流電流的疊加。開關(guān)和整流交流回路包含高幅度的梯形電流波形，這些波形中諧波成分很高，其頻率遠(yuǎn)大于開關(guān)基頻，這些交流電流的峰值幅度可高達(dá)輸入、輸出直流電流幅度的數(shù)倍，這兩個回路最容易產(chǎn)生電磁干擾。設(shè)計時首先對這些回路進(jìn)行布局，每個回路的主要元器件(濾波電容、開關(guān)管、整流管、功率變壓器、電感)應(yīng)彼此相鄰地進(jìn)行放置，調(diào)整元件位置使它們之間的電流路徑盡可能短。

4、航天器DC-DC模塊電源EMC測試分析及抑制措施

近年來，根據(jù)不同航天器對DC-DC模塊電源EMC的要求，我們已進(jìn)行了50多個產(chǎn)品的EMCI測試，幫助我們從設(shè)計源頭做好電路的電磁兼容性。

4．1 輻射發(fā)射(RE102)

目前航天器DC-DC模塊電源RE102的測試頻段為10 kHz～1 GHz。從測試結(jié)果來看，只有部分模塊電源能通過測試，如圖4、圖5所示的10 kHz～200 MHz的測

試曲線。部分模塊電源不能通過該頻段的測試，分析原因主要是受試模塊電源是為不同航天器設(shè)計的，在印制板設(shè)計、元器件布局等方面不完全相同，這些差異造成了不同的共模噪聲干擾強(qiáng)度，導(dǎo)致模塊電源不能通過測試，主要的超標(biāo)頻譜范圍在10～100 MHz，如圖6所示。

根據(jù)周期性脈沖信號在頻域分析中得到的頻譜最大幅度包絡(luò)線如圖7所示。周期信號對應(yīng)的頻譜是離散譜，每根頻譜的距離是脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍。這個包絡(luò)線上有兩個拐點(diǎn)，一個在1／（πd)處，另一個在1／(πtr)處在1／（πd)以下，包絡(luò)線幅度保持不變，在1／（πd)至1／(πtr)之間，幅度以每十倍頻程20 dB的速率下降，在1／(πtr)以上，以每十倍頻程40 dB的速率下降。

DC-DC模塊電源中由脈寬調(diào)制器在開關(guān)管上產(chǎn)生的周期性脈沖波形見圖8，脈沖的周期為3．9 μS，從波形圖可知，脈沖尖峰的幅值最大，脈沖尖峰的寬度若取0，01μS，則在3 1．8 MHz以下諧波幅值保持不變；脈沖尖峰的寬度若取0．002μS，則在159 MHz以下諧波幅值保持不變。

我們對模塊電源輻射途徑分析認(rèn)為，模塊電源有屏蔽良好的金屬殼體，外殼厚度有2 mm，通過金屬殼體的電磁輻射發(fā)射可以忽略，其余可能的輻射途徑就是模塊電源的輸入輸出引線和空余的出線孔。通過近場探頭對模塊電源進(jìn)行局部測試發(fā)現(xiàn)，在模塊電源的輸入線和出現(xiàn)線孔處的輻射發(fā)射強(qiáng)度明顯高于其它部位。

我們在試驗中可以把模塊電源的輸入線和輸出線分別緊密絞合，減小輻射發(fā)射回路的面積，并且因為雙絞線的每兩個相鄰的回路上電流方向相反，它們產(chǎn)生的磁場方向亦相反，在空問抵消，同時對輻射干擾感應(yīng)出的電流具有相反的方向，因此相互抵消，所以引出線絞合的方法不僅能抑制輻射發(fā)射，還對輻射和電纜束注入敏感度測試有幫助。

4.2 傳導(dǎo)發(fā)射(CE1 02)

CE 1 02項主要檢測EUT通過電源線傳導(dǎo)發(fā)射干擾的大小，通過測試可知，在模塊電源的輸入和輸出端對機(jī)殼加裝Y電容，對抑制模塊電源的傳導(dǎo)發(fā)射干擾有顯著的效果。測試曲線見圖9，圖10。

由圖9、圖10可知，超標(biāo)頻點(diǎn)均為開關(guān)頻率及其各次諧波，加了Y電容后很好地抑制了干擾尖峰。因此，眾多DC—DC模塊電源生產(chǎn)廠家都建議用戶使用時在機(jī)殼外添加Y電容，以取得更好的EMC效果。