淺析軍用車載DC—DC開關電源EMC設計

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，簡要分析了開關電源EMC產生機理，并著重介紹了軍用車載DC-DC開關電源的EMC電路設計、元器件選擇及PCB設計、機殼結構設計方法。

關鍵詞：電磁兼容、EMC，軍用，車載，DC-DC，開關電源

隨著民用汽車上成熟穩定的電子配置越來越多，功能越來越完善便捷，軍用汽車也逐步加入了民車中時尚的電子元素，而作為軍用汽車，由于其使用場合與民用汽車有很大差別，并且常會在車上外接一些特殊的軍用設備，如軍用電臺等，因此，軍用汽車上會裝備一種DC-DC開關電源，為軍用外接設備供電。

電磁兼容（EMC）指標是整車VTS指標中的重要組成部分，為保障整車通過EMC試驗，車內各電子電器零部件均需滿足相應的EMC性能。軍車作為系統級產品，需通過GJB1389A中陸軍地面系統所規定的EMC試驗；而作為車輛來說，軍車還需通過國家規定的相關法規要求。因此，作為軍用車載電子電器零部件，既要滿足GJB151B中陸軍地面分系統所規定的EMC試驗，同樣也要達到整車廠關于汽車零部件的各項EMC指標。這就對軍用車載電子產品的EMC性能提出了更高的要求。

軍用車載DC-DC開關電源的EMC設計要綜合考慮“軍用”和“車載”兩方面因素。既要滿足汽車電磁兼容設計需求，又要滿足軍用分系統電磁兼容設計需求。因此，軍用車載DC-DC開關電源的EMC設計面臨著嚴峻的考驗，在電路設計、PCB設計、元器件選型、機殼設計及線束設計等諸多方面均需要考慮EMC要求，并加入相應設計元素，以滿足產品的EMC性能要求。

1 電路設計

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和 MOSFET構成。開關電源電路中產生干擾源的主要器件是開關管和變壓器。開關電源的分布參數也是多數干擾的內在因素，開關電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。

（1）EMI濾波器設計及仿真

DC-DC開關電源，為濾除差模噪聲和共模噪聲，實現電源和前級系統互不干擾，滿足電磁兼容指標要求，一般設計輸入母線端兩級濾波電路，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計算。下圖為X型號DC-DC開關電源入口EMI濾波器的電路設計及仿真結果。

（2）RC吸收電路

根據對開關電源電磁兼容性的分析，干擾源主要由開關管的快速通斷所產生的高電壓和電流變化率所產生，因此需要考慮降低電路中的高di/dt、dv/dt，從而降低干擾源。在開關管兩端并聯RC吸收電路是較好的設計方案。通過電容和電阻緩沖吸收開關管通斷過程中產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

在電路中容易產生瞬變電壓的地方加入箝位電路設計，即加入TVS管設計，如開關管、整流二極管、脈寬調制電路輸出端、變壓器副邊輸出整流器等位置，即可有效吸收過高的瞬變電壓，也可以保護器件不受損壞。

2 元器件設計

開關電源中的元器件在高頻工作下都有高頻寄生特性，會對其工作狀態產生較大的影響。高頻工作時電容有了電感特性、電感有了電容特性、電阻可能發生共振，當頻率過高時各元件的頻率特性都產生了相當大的變化。另外，在高頻時，導線的寄生電感會使其變成一根發射線，成為開關電源中的輻射干擾源。因此，為了保證開關電源在高頻工作時的穩定性，設計開關電源時要充分考慮元件在高頻工作時的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。

下面簡要介紹幾種主要元器件的設計選擇經驗.

（1）電阻

由于表面貼裝元件具有低寄生參數的特點，因此，參數允許的條件下盡量選用表面貼裝電阻。對于有引腳的電阻，優先選擇金屬膜電阻，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，主要是存儲器和低頻濾波器領域。在中頻范圍內（從KHz到MHz），陶瓷電容比較適合，常用于去耦電路和高頻濾波。因此設計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

選用閉環電感，磁場被完全控制在磁心，因此在電路設計中這種類型的電感更理想。

（4）二極管

功率續流二極管選用正向壓降小，反向恢復時間短的肖特基二極管。部分敏感部位選用TVS去除瞬時尖峰脈沖。

（5）集成電路

選用成熟的脈寬調制控制芯片，設計參考典型電路，增加去耦電容，設計過/欠壓保護電路。

（6）變壓器

變壓器初、次級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構和制造工藝均有關系。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 印制板設計

在設計印制板的過程中，為減少因印制板線間干擾，一般遵循以下設計原則：

（1）信號線增大走線的間距以減少電容耦合的串擾；

（2）平行的布電源線和地線以使PCB電容達到最佳；

（3）將敏感的高頻線布在遠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/遙控電路與高頻器件遠離；

（6）模塊化電路布局，并盡量按電流走向進行整體布局；

（7）整體設計磁性元件（電感、變壓器）的安裝方向和距離，盡量減少磁場耦合；

（8）布線時盡量減小高頻電流環路包圍的面積和高dv/dt導體的面積

（9）內部地線設計方式，功率地與信號地分開，最終采用單點接地，并與機殼相連；

（10）PCB板空白區域敷銅填滿。

4 外殼結構設計

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

總結：眾所周知，開關電源屬于騷擾源，因此在整車布置中，需選擇遠離敏感設備的位置進行布置。根據開關電源輻射發射波形，在發射量較高的頻段或頻點，需保證周圍電子設備在這些頻段或頻點內無電磁敏感現象，以達到良好的自兼容性。以上是本人針對軍用車載DC-DC開關電源EMC設計的一些思路。