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航天器DC-DC模块电源电磁兼容设计

作者:广州市爱浦电子来源:原创 日期:2017年9月21日 10:34
摘要
        针对航天器用Dc—DC模块电源电磁兼容设计中的发射干扰(RE102~CE102),探寻其产生发射干扰的根源,并分析TDC—DC模块电源输入输出端EMI的产生原因,阐述了工程中常用的抑~IJEMI的方法:滤波器设计法、印制板EMC设计法。对干扰测试结果超标的DC—DC模块电源采取相应的抑制措施后,测试结果有了显著的改善。
 
1、航天器DC-DC模块电源发射干扰测试要求
        航天器对DC-DC模块电源的电磁兼容性(EMC)测试包括了发射干扰和干扰敏感度共8个测试项目。由于DC-DC模块电源的工作方式决定了它的电磁兼容设计的重要性,其中最为突出的就是模块电源发射干扰,包括辐射发射(RE102)和传导发射(CE102)。
航天器DC—DC模块电源的发射干扰RE102和CE102的测试以GJB151A一1997 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求 为基础,并参考了航天器设备对特定频段的特殊要求。
 
2、DC-DC模块电源电磁干扰分析
        航天器DC—DC电源模块,按目前国内应用情况,输入电压可分为28 V、42 V~NIO0 V三种,输出功率从几瓦到上百瓦。DC—DC模块电源是以功率半导体开关器件为核心的高频功率电子电路,通过半导体开关器件周期性通断工作,控制开关元件的时间占空比来调整输出电压。脉宽调制器(PWM)的工作方式使得模块电源不可避免地产生周期杂波,杂波的频谱分布在开关频率点和其高阶谐波频率点。如图1所示,DC—DC模块电源电磁干扰(EMI)包括辐射发射(RE)、传导发射(CE)、辐射敏感度(RS)和传导敏感度(CS)。
        DC-DC模块电源的小型化和高频化是其发展趋势,但同时带来了更加严重的EMC问题。DC-DC模块电源中开关管MOSFET和整流二极管在导通和截止的过程中,快速的上升和下降时,大电流变化所产生的辐射能量已经成为噪声的主要来源。由印制板元器件布局引起的模块电源内部元器件之间的寄生电容及印制板布线引起的寄生电容也是产生EMI的根源之一。
 
3、航天器DC-DC模块电源EMC设计
        3、1输入输出端EM1分析与滤波器设计
        3.1.1输入输出端EM1分析
        DC-DC模块电源中,由于寄生参数的存在以及开关管的高速导通和关断,使得模块电源在输入输出端产生较大的干扰噪声。干扰噪声是差模分量和共模分量共同作用的结果。差模噪声就是通常意义上的噪声,产生的干扰信号与工作信号将以电势源的形式串联加于模块电源的输入端,会对系统产生直接的影响。共模噪声发生在每根传输线和地线之间。共模干扰是由共模电流引起的,DC—DC模块电源中的各器件之间和器件与机壳之间都存在寄生电容,导线存在寄生电感,这些寄生参数构成了一个寄生传输网络。当功率开关高速开通与关断时,会产生一个脉冲序列一一脉冲源,该脉冲源通过寄生传输网络在模块电源的输入、输出线与地线之间产生共模电流干扰。
        3.1 2 EMI滤波器设计
        电磁干扰从设备内发射出来或进入设备只有两个途径,就是空间电磁辐射的形式和电流沿着导体传导的形式。现在我们已经认识到输入输出滤波器不仅对电源线传导发射(CE102)和传导敏感度(CS101)的测试有作用,还对辐射发射(RE102)、电缆束注入传导敏感度和静电放电的测试有作用,因为通过试验已证明,电源线及各种输入输出引线产生的辐射远高于线路板本身的辐射及机壳机箱屏蔽不完整所产生的辐射,设备引线是主要的辐射源,同时又是敏感度很高的接收器,在EMC测试中,辐射敏感度、电缆束注入敏感度、静电放电等测试会在电源线上产生共模电压,当共模电压转变为差模电压时,就会对电路产生影响。
        由于DC-DC模块电源的主要干扰源是由开关频率产生的高次谐波,而且高频电磁波更容易接收而对设备造成干扰,因此这些干扰均以高频为主,所以EMI滤波器采用低通滤波器。
低通滤波器的电路形式有多种。滤波器的选择主要取决于要抑制的干扰频率与工作频率之间的差别和滤波器所接电路的阻抗。但是实际电路的阻抗很难估算,特别是在高频时,由于电路受杂散参数的影响,电路的阻抗变化很大,而且电路阻抗在不同的频率上也不一样。因此,在实际电路中,哪一种滤波器更有效,主要依据试验的结果确定。
        我们在DC-DC模块电源中设计的EMI滤波器电路如图2、图3。图2中的C1、C2和图3中的C4、C5是滤除共模干扰用的Y电容(跨接在正线和回线与机壳之间,对共模电流起旁路作用,共模滤波电容一般取10 000 pF以下)同时,将输入、输出端正线和回线同向共磁芯绕制成共模电感L1,抑制共模噪声干扰。为了获得良好的滤波效果,要求X和Y电容的引线必须尽可能短。
        3.2 印制电路板(PCB)的EMC设计
        PCB设计中,电路布局直接影响电磁干扰和抗干扰度特性。每一个DC-DC模块电源都有4个电流回路:输入电流回路、开关交流回路、输出整流交流回路、输出负载电流回路,各回路之间应保持相对独立。输入电流回路和输出负载电流回路通常不会产生电磁干扰,这些回路中的电流波形为大的直流电流和小的交流电流的叠加。开关和整流交流回路包含高幅度的梯形电流波形,这些波形中谐波成分很高,其频率远大于开关基频,这些交流电流的峰值幅度可高达输入、输出直流电流幅度的数倍,这两个回路最容易产生电磁干扰。设计时首先对这些回路进行布局,每个回路的主要元器件(滤波电容、开关管、整流管、功率变压器、电感)应彼此相邻地进行放置,调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。
 
4、航天器DC-DC模块电源EMC测试分析及抑制措施
近年来,根据不同航天器对DC-DC模块电源EMC的要求,我们已进行了50多个产品的EMCI测试,帮助我们从设计源头做好电路的电磁兼容性。
        4.1 辐射发射(RE102)
        目前航天器DC-DC模块电源RE102的测试频段为10 kHz~1 GHz。从测试结果来看,只有部分模块电源能通过测试,如图4、图5所示的10 kHz~200 MHz的测试曲线。
        部分模块电源不能通过该频段的测试,分析原因主要是受试模块电源是为不同航天器设计的,在印制板设计、元器件布局等方面不完全相同,这些差异造成了不同的共模噪声干扰强度,导致模块电源不能通过测试,主要的超标频谱范围在10~100 MHz,如图6所示。
        根据周期性脉冲信号在频域分析中得到的频谱最大幅度包络线如图7所示。周期信号对应的频谱是离散谱,每根频谱的距离是脉冲重复频率的整数倍。这个包络线上有两个拐点,一个在1/(πd)处,另一个在1/(πtr)处在1/(πd)以下,包络线幅度保持不变,在1/(πd)至1/(πtr)之间,幅度以每十倍频程20 dB的速率下降,在1/(πtr)以上,以每十倍频程40 dB的速率下降。
        DC-DC模块电源中由脉宽调制器在开关管上产生的周期性脉冲波形见图8,脉冲的周期为3.9 μS,从波形图可知,脉冲尖峰的幅值最大,脉冲尖峰的宽度若取0,01μS,则在3 1.8 MHz以下谐波幅值保持不变;脉冲尖峰的宽度若取0.002μS,则在159 MHz以下谐波幅值保持不变。
        我们对模块电源辐射途径分析认为,模块电源有屏蔽良好的金属壳体,外壳厚度有2 mm,通过金属壳体的电磁辐射发射可以忽略,其余可能的辐射途径就是模块电源的输入输出引线和空余的出线孔。通过近场探头对模块电源进行局部测试发现,在模块电源的输入线和出现线孔处的辐射发射强度明显高于其它部位。
        我们在试验中可以把模块电源的输入线和输出线分别紧密绞合,减小辐射发射回路的面积,并且因为双绞线的每两个相邻的回路上电流方向相反,它们产生的磁场方向亦相反,在空问抵消,同时对辐射干扰感应出的电流具有相反的方向,因此相互抵消,所以引出线绞合的方法不仅能抑制辐射发射,还对辐射和电缆束注入敏感度测试有帮助。
        4.2 传导发射(CE1 02)
CE 1 02项主要检测EUT通过电源线传导发射干扰的大小,通过测试可知,在模块电源的输入和输出端对机壳加装Y电容,对抑制模块电源的传导发射干扰有显著的效果。测试曲线见图9,图10。
        由图9、图10可知,超标频点均为开关频率及其各次谐波,加了Y电容后很好地抑制了干扰尖峰。因此,众多DC—DC模块电源生产厂家都建议用户使用时在机壳外添加Y电容,以取得更好的EMC效果。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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