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关键词：电源；子系统；电磁兼容
0 引言
电子产品间会通过传导或者辐射等途径相互干扰，导致电子产品不能正常工作。因此，电磁兼容在电源产品设计中处于非常重要的地位，若处理不当会带来很多麻烦。
开关电源是一个很强的骚扰源，这是由于开关管以很高的频率做开关动作，由此会产生很高的开关噪声，从而会从电源的输入端产生差模与共模干扰信号。同时，开关电源中又有很多控制电路，很容易受到自身和其他电子设备的干扰。所以，EMI和EMS问题在电源产品中都需要重视。
然而对于一个电源系统内有多个子系统的场合，多个子系统之间的电磁兼容问题就更加尖锐。由于电源产品体积的限制，多个子系统在空间上一般都比较靠近，而且通常是共用一个输入母线，因此，互相之间的干扰会更加严重。所以，这类电源系统除了要防止对其他电源系统和设备的干扰，达到政府制定的标准外，还要考虑到电源系统内部子系统之间的相互干扰问题，不然将会影响到整个系统的正常运行。
下面以一个军用车载电源为例，阐述了在设计中应注意的原则，调试中出现的问题，解决的方案，以及由此得到的经验。
1 电气规格和基本方案
1.1 电气规格
如图1所示。由于是车载电源，所以该电源系统的输入为蓄电池，电压是9～15V。输出供辐射仪，报警器，侦毒器，打印机，电台，加热等6路负载。其电压有24V，12V，5V3种，要求这3种电压电气隔离并且具有独立保护功能。
图1 电气规格
1.2 基本方案
12V输出可以直接用蓄电池供电，因此，DC/DC变换系统只有24V和5V两路输出。由于要有独立保护功能，并且调整率要求也非常高，所以，采用两个独立的DC/DC变换器的方案。24V输出200W，采用RCD复位正激变换器；5V输出30W，采用反激变换器。图2给出了该方案的主电路图。
(a) 正激变换器
(b) 反激变换器
图2 基本方案的主电路
2 布局上的考虑
因为，有两路变换器放在同一块PCB上，所以，布局上需要考虑的问题更加多。
1）虽然在一块PCB上，但是，两个变换器还是应该尽量地拉开距离，以减少相互的干扰。所以，正激变换器和反激变换器的功率电路分别在PCB的两侧，中间为控制电路，并且两组控制电路之间也尽量分开。
2）主电路的输入输出除了电解电容外，再各加一颗高频电容（CBB电容），并且该电容尽量靠近开关和变压器，使得高频回路尽量短，从而减少对控制电路的辐射干扰。
3）该电源系统控制芯片的电源也是由输入电压提供，没有另加辅助电源。在靠近每个芯片的地方都加一个高频去耦电容（独石电容）。此外，主电路输入电压和芯片的供电电压是同一个电压，为了防止发生谐振，最好在芯片的供电电压前加一个LC滤波或RC滤波电路，隔断主电路和控制电路之间的传导干扰。
4）为了减少各个控制芯片间的相互干扰，控制地采用单点信号地系统。控制地只通过驱动地和功率地相连，也就是控制地只和开关管的源极相连。但是，实际上驱动电路有较大的脉冲电流，最好的做法是采用变压器隔离驱动，让功率电路和控制电路的地彻底分开。
3 调试中出现的问题及解决办法
该电源系统在调试过程中出现了以下问题：正激变换器和反激变换器在单独调试的时候非常正常，但是，在两路同时工作时却发生了相互之间的干扰，占空比发生振荡，变压器有啸叫声。
这个现象很明显是由两路变换器之间的相互干扰造成的。为了寻找骚扰源而做了一系列的实验，最终证实是由两路主电路之间的共模干扰引起振荡的。具体的实验过程过于繁琐，在这里就不描述了。
这些问题的解决方法有很多种。下面给出几种当时采用的解决方案，以及提出一些还可以采用的方案。
1）在每个变换器的输出侧加共模滤波器 这样不仅可以减小对负载的共模干扰，并且对自身的控制电路也有好处。因为，输出电压经过分压后要反馈到控制电路中，如果输出电压中含有共模干扰信号，那么控制电路也会由此引入共模干扰信号。所以，在变换器的输出侧加共模滤波器是非常有必要的，不仅减小对负载的共模干扰，还会减小对控制电路的共模干扰。
2）在反激变换器和正激变换器之间加一个共模滤波器 这样可以减少两路变换器主电路之间的传导干扰。因为，反激侧差模电流较小，所以，将共模滤波器放在反激侧，如图3所示。另外，为了防止两路电源之间的相互干扰，共模滤波器设计成π型，这样从每一边看都是一个共模滤波器。
图3 EMI共模滤波器
3）将反激变压器绕组的饶法改成原—副—原—副—原—副的多层夹层饶法 采取该措施后变压器原副边的耦合更加紧密，使漏感减小，开关管上电压尖峰明显降低。同时共模骚扰源的强度也随之降低。在不采用解决方案2）时，采用本方案也解决了问题。而且，这种方法从根源上改善了电磁兼容性能，且绕组的趋肤效应和层间效应也都会改善，从而降低了损耗。但是，这种绕法是以牺牲原副边的绝缘强度为代价的，在原副边绝缘要求高的场合并不适用。
4）减慢开关的开通和关断速度 这样开关管上的电压尖峰也会降低，也能在一定程度上解决问题。但是，这是以增加开关管的开关损耗为代价的。
5）开关频率同步 两路变换器的工作频率都是100kHz，但是，使用两个RC振荡电路，参数上会有离散性，两个频率会有一定偏差。这样两路电源可能会产生一个拍频引起振荡。所以，也尝试了用一个RC振荡电路，一个PWM芯片由另一个PWM芯片来同步，这样可以保证严格的同频和同时开通，对减少两路电源之间的干扰会有一定好处。在这个电源系统中，采用的PWM芯片是ST公司的L5991芯片，可以非常方便地接成两路同步的方式，如图4所示。
图4 两片PWM芯片的同步
6）在二极管电路中串联一个饱和电感，减小二极管的反向恢复，从而减小共模干扰源的强度 在电流大的时候，饱和电感由于饱和而等效为一根导线。在二极管关断过程中，正向电流减小到过零时，饱和电感表现出很大的电感量，阻挡了反向电流的增加，从而也减小了二极管上电压尖峰。从电磁兼容的角度讲，是减小了骚扰源的强度。用这种方法抑制二极管的反向恢复也会造成一定的损耗，但是，由于使用的电感是非线形的，所以，额外损耗相对RC吸收来说还是比较小的。
图5（a）是正激变换器在没有加饱和电感时续流二极管DR2的电压波形，较高的振荡电压尖峰是很强的骚扰源。图5（b）是正激变换器在加了饱和电感后的二极管电压波形，电压尖峰明显降低，从而大大减弱了该骚扰源的强度。
(a) 未串饱和电感 (b) 串饱和电感
图5 续流二极管电压波形
7）对反激变换器的主开关加电压尖峰吸收电路 尽管反激变压器绕组的饶法有很大的改进，漏感已减小。但是，由于反激变换器的变压器不是一个单纯的变压器，而是变压器和电感的集成，所以，要加气隙。加气隙后的变压器的漏感相对来说还是比较大的。若不加吸收电路，开关管上电压尖峰会比较高，这不仅增加了开关管的电压应力，而且也是一个很强的骚扰源。
图6给出了反激变换器的吸收电路。R1，C1，D组成了RCD钳位吸收电路，它可以很好地吸收变压器漏感和开关管结电容谐振产生的电压尖峰。图7(a)是没有加吸收电路时，开关管上漏—源电压波形，有很高的电压尖峰。图7(b)是加了RCD吸收电路时，开关管上漏—源电压波形，电压尖峰已大大降低。但是，将图7(b)振荡部分放大看，如图7(c)所示，可以发现，又出现了一些更细的振荡电压。该振荡电压是由于漏感和二极管D的结电容谐振产生的，靠 RCD电路已经无法将其吸收（R2，C2）。所以，又在开关管的漏—源两端加了RC吸收电路（R2，C2），进一步吸收由于漏感和二极管D的结电容谐振产生的电压尖峰。吸收后的波形如图7(d)所 示 。
图6 反激变换器的吸收电路
(a) 无RCD吸收电路 (b) 有RCD吸收电路
(c) (b)的局部放大 (d) 开关管漏—源极间加RC
图7 反激变换器开关管漏—源电压波形
8）采用软开关电路 上述解决方案1）－6）是在不改变现有电路拓扑的前提下降低电磁干扰所采用的方案。其中1）－2）是采用切断耦合途径的方法；3）－6）是减弱骚扰源的方法。实际上，在选择电路拓扑时就可以考虑有利于EMC的拓扑，这样就不容易产生上面的问题。其中采用控制性软开关拓扑就是一个很好的选择。选用控制性软开关拓扑（例如移相全桥变换器、不对称半桥变换器、LLC谐振变换器[4]），不仅可以减少开关损耗，而且可以降低电压尖峰，从而减弱骚扰源的强度。但是，采用缓冲型的软开关拓扑，不仅增加了很多附加电路，并且从降低EMI角度来说也不一定有优势，因为，大多数缓冲型软开关拓扑将原先的振荡能量转移到附加的电路上了，还是会产生很强的EMI。
5 结语
由于在空间上一般都比较靠近，而且，通常是共用一个输入母线，所以，在内部有多个子系统的电源系统中，多个子系统电源之间的电磁兼容问题非常尖锐。在选择电路拓扑时应尽量选用控制性软开关拓扑。在设计PCB板时应该注意多个子系统的位置关系和地线的安排。当电路中出现电压尖峰时，可采用RCD或者RC等吸收电路。对于二极管的反向恢复问题，可以采用串联饱和电感的方法来解决。在必要的时候还可以加合适的EMI滤波器来隔断干扰的耦合途径