航天器DC-DC模塊電源電磁兼容設計

摘要

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

1、航天器DC-DC模塊電源發射干擾測試要求

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決定了它的電磁兼容設計的重要性，其中最為突出的就是模塊電源發射干擾，包括輻射發射(RE102)和傳導發射(CE102)。

航天器DC-DC模塊電源的發射干擾RE102和CE102的測試以GJB151A一1997 軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求 為基礎，并參考了航天器設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，按目前國內應用情況，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體開關器件為核心的高頻功率電子電路，通過半導體開關器件周期性通斷工作，控制開關元件的時間占空比來調整輸出電壓。脈寬調制器(PWM)的工作方式使得模塊電源不可避免地產生周期雜波，雜波的頻譜分布在開關頻率點和其高階諧波頻率點。如圖1所示，DC-DC模塊電源電磁干擾(EMI)包括輻射發射(RE)、傳導發射(CE)、輻射敏感度(RS)和傳導敏感度(CS)。

DC-DC模塊電源的小型化和高頻化是其發展趨勢，但同時帶來了更加嚴重的EMC問題。DC-DC模塊電源中開關管MOSFET和整流二極管在導通和截止的過程中，快速的上升和下降時，大電流變化所產生的輻射能量已經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生EMI的根源之一。

3、航天器DC-DC模塊電源EMC設計

3、1輸入輸出端EM1分析與濾波器設計

3．1．1輸入輸出端EM1分析

DC-DC模塊電源中，由于寄生參數的存在以及開關管的高速導通和關斷，使得模塊電源在輸入輸出端產生較大的干擾噪聲。干擾噪聲是差模分量和共模分量共同作用的結果。差模噪聲就是通常意義上的噪聲，產生的干擾信號與工作信號將以電勢源的形式串聯加于模塊電源的輸入端，會對系統產生直接的影響。共模噪聲發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殼之間都存在寄生電容，導線存在寄生電感，這些寄生參數構成了一個寄生傳輸網絡。當功率開關高速開通與關斷時，會產生一個脈沖序列一一脈沖源，該脈沖源通過寄生傳輸網絡在模塊電源的輸入、輸出線與地線之間產生共模電流干擾。

3．1 2 EMI濾波器設計

電磁干擾從設備內發射出來或進入設備只有兩個途徑，就是空間電磁輻射的形式和電流沿著導體傳導的形式。現在我們已經認識到輸入輸出濾波器不僅對電源線傳導發射(CE102)和傳導敏感度(CS101)的測試有作用，還對輻射發射(RE102)、電纜束注入傳導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生的輻射遠高于線路板本身的輻射及機殼機箱屏蔽不完整所產生的輻射，設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生共模電壓，當共模電壓轉變為差模電壓時，就會對電路產生影響。

由于DC-DC模塊電源的主要干擾源是由開關頻率產生的高次諧波，而且高頻電磁波更容易接收而對設備造成干擾，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，主要依據試驗的結果確定。

我們在DC-DC模塊電源中設計的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設計

PCB設計中，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、開關交流回路、輸出整流交流回路、輸出負載電流回路，各回路之間應保持相對獨立。輸入電流回路和輸出負載電流回路通常不會產生電磁干擾，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，其頻率遠大于開關基頻，這些交流電流的峰值幅度可高達輸入、輸出直流電流幅度的數倍，這兩個回路最容易產生電磁干擾。設計時首先對這些回路進行布局，每個回路的主要元器件(濾波電容、開關管、整流管、功率變壓器、電感)應彼此相鄰地進行放置，調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，根據不同航天器對DC-DC模塊電源EMC的要求，我們已進行了50多個產品的EMCI測試，幫助我們從設計源頭做好電路的電磁兼容性。

4．1 輻射發射(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計的，在印制板設計、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度，導致模塊電源不能通過測試，主要的超標頻譜范圍在10～100 MHz，如圖6所示。

根據周期性脈沖信號在頻域分析中得到的頻譜最大幅度包絡線如圖7所示。周期信號對應的頻譜是離散譜，每根頻譜的距離是脈沖重復頻率的整數倍。這個包絡線上有兩個拐點，一個在1／（πd)處，另一個在1／(πtr)處在1／（πd)以下，包絡線幅度保持不變，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制器在開關管上產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行局部測試發現，在模塊電源的輸入線和出現線孔處的輻射發射強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，它們產生的磁場方向亦相反，在空問抵消，同時對輻射干擾感應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射，還對輻射和電纜束注入敏感度測試有幫助。

4.2 傳導發射(CE1 02)

CE 1 02項主要檢測EUT通過電源線傳導發射干擾的大小，通過測試可知，在模塊電源的輸入和輸出端對機殼加裝Y電容，對抑制模塊電源的傳導發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，超標頻點均為開關頻率及其各次諧波，加了Y電容后很好地抑制了干擾尖峰。因此，眾多DC—DC模塊電源生產廠家都建議用戶使用時在機殼外添加Y電容，以取得更好的EMC效果。