浅析军用车载DC—DC开关电源EMC设计

浅析军用车载DC—DC开关电源EMC设计

作者：陈霁

来源：《海峡科技与产业》2017年第03期

摘 要：本文分析了军用车载电源电磁兼容（EMC）要求的特点，简要分析了开关电源EMC产生机理，并着重介绍了军用车载DC-DC开关电源的EMC电路设计、元器件选择及PCB设计、机壳结构设计方法。

关键词：电磁兼容、EMC，军用，车载，DC-DC，开关电源

随着民用汽车上成熟稳定的电子配置越来越多，功能越来越完善便捷，军用汽车也逐步加入了民车中时尚的电子元素，而作为军用汽车，由于其使用场合与民用汽车有很大差别，并且常会在车上外接一些特殊的军用设备，如军用电台等，因此，军用汽车上会装备一种DC-DC开关电源，为军用外接设备供电。

电磁兼容（EMC）指标是整车VTS指标中的重要组成部分，为保障整车通过EMC试验，车内各电子电器零部件均需满足相应的EMC性能。军车作为系统级产品，需通过GJB1389A中陆军地面系统所规定的EMC试验；而作为车辆来说，军车还需通过国家规定的相关法规要求。因此，作为军用车载电子电器零部件，既要满足GJB151B中陆军地面分系统所规定的EMC试验，同样也要达到整车厂关于汽车零部件的各项EMC指标。这就对军用车载电子产品的EMC性能提出了更高的要求。

军用车载DC-DC开关电源的EMC设计要综合考虑“军用”和“车载”两方面因素。既要满足汽车电磁兼容设计需求，又要满足军用分系统电磁兼容设计需求。因此，军用车载DC-DC开关电源的EMC设计面临着严峻的考验，在电路设计、PCB设计、元器件选型、机壳设计及线束设计等诸多方面均需要考虑EMC要求，并加入相应设计元素，以满足产品的EMC性能要求。

1 电路设计

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和 MOSFET构成。开关电源电路中产生干扰源的主要器件是开关管和变压器。开关电源的分布参数也是多数干扰的内在因素，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。

（1）EMI滤波器设计及仿真

DC-DC开关电源，为滤除差模噪声和共模噪声，实现电源和前级系统互不干扰，满足电磁兼容指标要求，一般设计输入母线端两级滤波电路，即入口EMI滤波器电路。滤波器中差

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模电容及差模电感的选择，需要同电源的工作频率和滤波器的截止频率来计算。下图为X型号DC-DC开关电源入口EMI滤波器的电路设计及仿真结果。 （2）RC吸收电路

根据对开关电源电磁兼容性的分析，干扰源主要由开关管的快速通断所产生的高电压和电流变化率所产生，因此需要考虑降低电路中的高di/dt、dv/dt，从而降低干扰源。在开关管两端并联RC吸收电路是较好的设计方案。通过电容和电阻缓冲吸收开关管通断过程中产生的反向尖峰电流和尖峰电压，从而减小高电压和电流变化率。 （3）箝位电路

在电路中容易产生瞬变电压的地方加入箝位电路设计，即加入TVS管设计，如开关管、整流二极管、脉宽调制电路输出端、变压器副边输出整流器等位置，即可有效吸收过高的瞬变电压，也可以保护器件不受损坏。 2 元器件设计

开关电源中的元器件在高频工作下都有高频寄生特性，会对其工作状态产生较大的影响。高频工作时电容有了电感特性、电感有了电容特性、电阻可能发生共振，当频率过高时各元件的频率特性都产生了相当大的变化。另外，在高频时，导线的寄生电感会使其变成一根发射线，成为开关电源中的辐射干扰源。因此，为了保证开关电源在高频工作时的稳定性，设计开关电源时要充分考虑元件在高频工作时的特性，选择使用高频特性比较好的元件。 下面简要介绍几种主要元器件的设计选择经验. （1）电阻

由于表面贴装元件具有低寄生参数的特点，因此，参数允许的条件下尽量选用表面贴装电阻。对于有引脚的电阻，优先选择金属膜电阻，其次是线绕电阻。 （2）电容

铝电解电容和钽电解电容适用于低频终端，主要是存储器和低频滤波器领域。在中频范围内（从KHz到MHz），陶瓷电容比较适合，常用于去耦电路和高频滤波。因此设计中去耦电容选用陶瓷电容，而滤波器选用高频特性好的薄膜电容。 （3）电感

选用闭环电感，磁场被完全控制在磁心，因此在电路设计中这种类型的电感更理想。

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（4）二极管

功率续流二极管选用正向压降小，反向恢复时间短的肖特基二极管。部分敏感部位选用TVS去除瞬时尖峰脉冲。 （5）集成电路

选用成熟的脉宽调制控制芯片，设计参考典型电路，增加去耦电容，设计过/欠压保护电路。

（6）变压器

变压器初、次级之间的分布电容可以传输共模干扰，变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组的结构和制造工艺均有关系。另外变压器原副边的漏感也是噪声源，因此变压器的选择需选取漏感小的变压器。 3 印制板设计

在设计印制板的过程中，为减少因印制板线间干扰，一般遵循以下设计原则： （1）信号线增大走线的间距以减少电容耦合的串扰； （2）平行的布电源线和地线以使PCB电容达到最佳； （3）将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方；

（4）加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗，且地线要比电源线粗； （5）功率电路与控制电路分开、易受干扰的遥测/遥控电路与高频器件远离； （6）模块化电路布局，并尽量按电流走向进行整体布局；

（7）整体设计磁性元件（电感、变压器）的安装方向和距离，尽量减少磁场耦合； （8）布线时尽量减小高频电流环路包围的面积和高dv/dt导体的面积

（9）内部地线设计方式，功率地与信号地分开，最终采用单点接地，并与机壳相连； （10）PCB板空白区域敷铜填满。 4 外壳结构设计

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开关电源外壳机箱最好采用金属材质，以达到屏蔽效果。机箱整体采用一体化设计；机箱盖板与机箱的搭接距离大于1mm，搭接电阻小于10mΩ；如机箱带散热孔，散热孔的直径需按照电源高发射量的频率进行计算，直径要小于辐射发射频谱的波长，以使外壳形成良好的屏蔽作用。

总结：众所周知，开关电源属于骚扰源，因此在整车布置中，需选择远离敏感设备的位置进行布置。根据开关电源辐射发射波形，在发射量较高的频段或频点，需保证周围电子设备在这些频段或频点内无电磁敏感现象，以达到良好的自兼容性。以上是本人针对军用车载DC-DC开关电源EMC设计的一些思路。