高頻電源電磁兼容優化設計方法

龐驥庭

（西安愛生技術集團有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著現代裝備系統的逐步發展，系統的結構逐漸復雜化和多樣化，為了確保系統能夠穩定的工作，對電磁兼容性提出一定的要求。電源作為系統供電的主要部分，提高其電磁兼容性，是保證系統穩定工作的關鍵[1]。相比于低頻電源，高頻電源無論是在體積上或是在成本與運行效率層面均具有較為顯著的優勢，因此在裝備系統上得到廣泛應用。但高頻電源在高頻運行中極易受到電源電磁干擾，導致裝置、支撐系統的性能不足，并且對高頻設備附近的物質造成嚴重的損害[2]。本文設計的電源電磁兼容方法可以控制高頻電壓電子設備在指定電磁環境下運轉時實現電源電磁之間的兼容，實現對高頻電子設備的抗干擾設計，即高頻設備在強烈電磁干擾的條件下，應用本文方法可保證系統穩定工作，避免受到電磁干擾。盡管我國早已針對此方面展開了深入研究，但由于缺少專項技術作為支撐，導致設計的兼容方法指向性較強，即僅在應用到某個指定電磁環境時才具有有效性，一旦環境參數改變，兼容方法便不再適用[3]。為了更好地解決電源電磁兼容問題，提出基于高頻電源電磁兼容優化設計方法。

1 基于高頻電源電磁兼容優化設計方法

1.1 優化電源功率驅動電路平衡輸出

為實現在高頻段中電源電磁兼容性提升，本文在對電源進行優化時，首先針對其功率驅動電路平衡輸出問題進行優化。通常情況下，電源中的芯片需要輸出一個信號以驅動一個10 V左右的片外功率，且無需具備驅動電路結構，導通阻抗相對較小[4]。為了進一步提高電源在運行過程中開關動作的可靠性，還需要在盡可能多的傳輸延遲條件下設定一個區域時間，以防止驅動電路出現短路問題。傳統方法提升驅動能力的同時，造成了版圖面積的增加，產生了嚴重的開關噪聲[5]。針對這一問題，本文在對電源的驅動電路進行設計時，需要從各個方面考慮到影響穩定性的因素，從而實現對電源功率驅動電路平衡輸出優化。基于此，本文采用一種新型高壓驅動結構，其結構如圖1所示。

圖1 本文電源功率驅動電路結構示意圖

利用本文上述設計的電源功率驅動電路結構，通過Level Shift完成對電源電路低壓控制信號到高壓控制信號的轉換，通過推挽和防死區結構實現電源功率驅動電路的死區功能，減小電源運行過程中的傳輸時延，從而解決電源運行時兩組或多組驅動信號不同步的問題。同時，設計的電源功率驅動電路結構能夠進一步節省對電源電平檢測電路產生邏輯，使結構更加簡單。

1.2 電源噪聲濾除去耦結構設計

由于電源在運行過程中會受到周圍環境因素以及諧波污染的影響，導致運行效果無法滿足實際要求，因此針對這一問題，本文在電源結構中引入一種片上去耦電容，對電源進行降噪和濾波處理[6]。利用去耦電容抵消電源線和地線產生的耦合，以此避免在電源運行過程中大量噪聲進入到襯底結構中。本文將去耦電容連接到電源電路模塊與電源線之間。開啟開關時，由于電源線中存在寄生電感，因此電源上的電流會受到影響，并逐漸產生噪聲。針對這一現象，通過引入寄生電容實現去耦電容，抑制噪聲[7]。

為確保本文引入的片上去耦電容能夠實現對噪聲的最大吸收，需要在電源中有效跟蹤濾波最大功率點，確保片上去耦電容能夠在濾波最大功率上進行操作。首先，尋找濾波最大功率點時，在輸入電壓上添加一個時刻變化的量，并在電源電壓不再發生改變后測量電源的電流和電壓[8]。其次，計算電源輸出功率，得到新的輸入值和輸出值，再重復上述操作。最后，將上述兩組數據進行綜合比較，若第一組輸入值和輸出值更大，則認為第一組所在節點為濾波最大功率點，反之則認為第二組所在節點為濾波最大功率點。確保片上去耦電容能夠在濾波最大功率點完成去耦操作，即可實現對電源噪聲的濾除，并確保得到最佳噪聲濾除效果。

1.3 基于高頻電源環路電感誤差補償控制

根據上述操作，確保電源能夠在最佳條件下運行，為了實現在高頻段中電源環路電感的誤差補償，本文設計誤差補償控制機制。

在對高頻段電源環路電感進行誤差補償時，首先對環路電感進行計算，其公式為：

式中，L表示為高頻段中電源環路電感；k表示為電源變壓器線圈半徑；μ表示為真空狀態下電源磁導率，通常情況下取2.5π×10-7；N表示為電源變壓器線圈匝數；S表示為電源變壓器線圈橫截面面積；l表示為電源變壓器線圈實際長度。根據式（1）完成對高頻段中電源環路電感的計算后，利用電源電感無償補償電路對高頻電源環路電感數值超出或未達到標準范圍的環路進行電感補償。分別利用電壓鉗位電路、電流采樣電路、電壓穩定隔離電路以及平衡點控制電路構成電源電感誤差補償電路，它們在電源開關管導通期間存在的關系為：

式中，Uc表示為電壓鉗位電路電壓；U11表示為電流采樣電路電壓；U12表示為電壓穩定隔離電路電壓。

電源電流采樣電路工作時，電源運行過程中產生驅動信號，信號的強度為由低到高，當開關逐漸轉為導通并達到3.46 μs時，在其中一端輸出一個相對較低的電平窄脈沖，以此確保另一端電路的導通，并通過兩端電路構成一個電流鏡，而流經其中的電流將會按照事先設置的比例鏡像到另一端電流[9]。同時，在電源運行過程中，當其中一端閉合后，通過本文上述引入的片上去耦電容能夠確保電源各個電路的柵壓不發生改變，以此維持電流采樣電路的電壓和電流大小始終保持不變，實現對電源環路電感誤差補償。

2 實驗論證分析

為進一步驗證本文設計方法的應用效果，進行對比實驗。本文在對兼容優化設計時，更多地關注高頻開關電源的抗電磁干擾能力優化，而一般開關電源結構的諧波只能夠在低頻段完成，并變為明顯的傳導干擾。為確保本文設計方法能夠有效應用于實際，并通過實驗得出真實效果，本文選擇在《國家軍用電磁兼容性標準》下選擇22.5～1 000 MHz范圍的高頻段，將干擾頻率設置在110～1 000 MHz范圍內，構建電磁干擾環境。

為了更加方便驗證兩種不同電源的抗干擾能力，在實驗過程中分別選擇250 MHz、500 MHz、600 MHz、800 MHz以及1 000 MHz共5個頻率點，通過分析5個不同頻率點上優化前后電源的電流和近場情況，并將兩種電源的電磁輻射數值作為評價指標，得出如表1所示的實驗結果。

表1 優化前后電源電磁輻射范圍對照

從表1中實驗結果可以看出，優化前電源電磁輻射數值均超過6.000 μW/cm2，與電源運行標準中提出的小于5.000 μW/cm2規定嚴重不符。而優化后電源電磁輻射數值均在1.500 μW/cm2范圍以內，符合電源在高頻段的運行標準。在應用本文設計方法后，高頻狀態下電源的電磁輻射數值明顯減小，進場輻射范圍也縮減。因此，通過對比實驗證明，本文提出的方法可以有效提高電源在高頻段中的電磁兼容性。

3 結 論

電源電磁干擾對于高頻設備與裝備系統的影響越發顯著，為了更好地解決與此方面相關的問題，本文提出了一種基于高頻電源的電磁兼容優化設計方法。經過實驗證明，本文方法在實際應用中明顯保證了電磁干擾下的電源性能，保障了系統的穩定運行。在未來的研究中，嘗試將設計的方法應用到裝備系統中，通過不斷實踐發現本文方法存在的不足，并在后期對本文方法加以改進，真正解決電源受電磁干擾的問題。