船用电子设备中开关电源的电磁辐射

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(武汉理工大学 能源与动力工程学院， 武汉 430063)

船用电子设备中开关电源的电磁辐射

杨伟，金华标，魏柳新，赵海鸥，喻方平

(武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)

为研究RC缓冲电路对开关电源电磁辐射的影响，对buck型开关电源基本电路进行仿真，对比加入RC缓冲电路前后开关节点处的谐振波形，通过傅里叶变换分析RC缓冲电路对电磁辐射的影响规律。通过分析得到以下结论：RC缓冲电路在低频段可有效降低buck型开关电源的电磁辐射水平，在高频段反而会使电磁辐射增强；减小RC缓冲电路与二极管构成的回路面积可降低buck型开关电源的电磁辐射水平。通过试验验证结论的正确性，可为开关电源中RC缓冲电路的使用提供参考。

船用电子设备；buck型开关电源；RC缓冲电路；电磁辐射；谐振

Abstract: The simulation of a basic DC-DC buck converter with/without a snubber circuit is performed to investigate the effect of the snubber circuit. The resonant waveforms at the switch node is compared and analyzed in their Fourier transforms. The analysis indicates that the RC snubber circuit can effectively reduce the electromagnetic radiation of DC-DC buck converter in lower frequency range but will increase it at higher frequency end, and keeping the area of the RC snubber circuit-diode loop small will make the electromagnetic radiation of DC-DC buck converter smaller. The conclusion is verified by experiments.

Keywords: marine electronic equipment; DC-DC buck converter; RC snubber circuit; electromagnetic radiation; resonance

随着船舶自动化程度不断提高，越来越多的电子设备被应用到船舶通信、导航、监测诊断及控制等领域中，仅在驾驶台就布置有雷达、全球定位系统、船舶自动识别系统、陀螺罗经及甚高频通信设备等十余种电子设备。国际海上人命安全公约(International Convention for Safety of Life at Sea, SOLAS)[1]规定：各国主管机关应确保安装在2002年7月1日及以后建造的船舶上的位于驾驶台或邻近驾驶台的所有电气和电子设备必须满足电磁兼容性要求。国内有关电磁兼容的研究起步较晚，船舶电磁兼容方面的研究更少，导致产品设计中出现很多电磁兼容问题，尤其是辐射问题。文献[2]研究2006—2008年在上海工业仪表自动化研究所进行电磁兼容试验的13套国产船载航行数据记录仪的测试结果，其中因外壳端口辐射导致电磁兼容试验不合格的就有6套。

开关电源因具有体积小、效率高等优点而在船用电子设备中得到广泛应用。[3]然而，由于开关电源的工作原理特殊，电磁兼容性较差，这使得开关电源成为船用电子设备主要的电磁干扰源之一。[4]为改善开关电源的电磁兼容性能，国内外相关学者对开关电源的电磁干扰机理进行了较多研究，提出了很多有针对性的抑制方案。这其中，RC缓冲电路是一种较为常用的设计方法，主要用于抑制开关器件在开关状态改变瞬间产生的谐振。文献[5]详细介绍RC缓冲电路的原理、设计和应用；文献[6]利用RC缓冲电路对隔离式开关电源整流二极管处的浪涌电压进行抑制；文献[7]利用RC缓冲电路对正激变换器中开关节点处的尖峰电压进行抑制。虽然关于RC缓冲电路的研究较多，但大多以改善开关器件处的谐振波形为主，对电磁辐射的研究不够深入。文献[8]研究RC缓冲电路对同步式开关电源电磁辐射的影响，但仅对比电磁辐射的最大值，且缺乏试验验证。文献[9]指出开关电源常造成30～300 MHz频段辐射超标，因此研究RC缓冲电路对开关电源电磁辐射的影响具有一定意义。开关电源的基本拓扑结构有buck，boost和buck-boost等3种，其中buck型开关电源因具有体积小、质量轻和成本低等优点而在微型计算机、小型开关电源模块、辅助电源及通信设备的二次电源等小功率场合得到广泛应用[10]，因此这里以buck型开关电源为研究对象。在buck型开关电源中，RC缓冲电路一般并联在二极管两端，用于抑制开关状态切换时开关节点处的谐振。通过CST仿真并结合理论分析，研究RC缓冲电路对buck型开关电源电磁辐射的影响，并进行试验验证。

1 buck型开关电源电磁干扰分析

1.1 buck型开关电源基本工作原理

根据文献[11]中buck型开关电源的基本工作原理，可得buck型开关电源基本电路见图1。将功率半导体器件Q1作为开关，将输入直流电压斩波为方波，经低通滤波即可输出直流电压。工作过程为：PWM controller输出脉冲占空比可调的脉冲群以控制开关Q1的通断，通过调节脉冲占空比达到调节输出电压的目的；当开关Q1导通时，二极管D1截止，电源向电感和电容充电并向负载供电；当开关Q1截止时，电感和电容通过二极管D1向负载供电。

图1 buck型开关电源基本电路

1.2 buck型开关电源电磁干扰分析

随着开关Q1的通断，开关节点SW处电压波形应为标准的方波，但由于实际电路中有源器件(开关和二极管)、无源器件(电阻、电容、电感)及印制电路板均为非理想性的，开关节点SW处的电压波形会与理想状态有很大不同。图2为考虑非理想性的buck型开关电源原理图，其中，L_loop 1，L_loop 2，L_loop 3和L_loop 4为回路走线的寄生电感，Cj为二极管D1的寄生电容。

图2 buck型开关电源原理图(考虑非理想性)

由图2可知，二极管D1的寄生电容Cj与回路走线的寄生电感L_loop 4将构成串联谐振电路，因此在开关Q1打开瞬间，开关节点SW处将发生谐振现象。谐振频率的计算式为

(1)

谐振电流会自动寻找阻抗最小的路径进行回流，由于功率电感L的值一般很大，因此谐振电流不会通过功率电感；与二极管距离较近的输入去耦电容可提供较小的回路电感，回路电感越小，回路阻抗也就越小。因此，谐振电流的完整回路如图2虚线所示，下面将该回路统一称为“输入去耦电容-二极管回路”。[12]

由于在开关Q1打开瞬间“输入去耦电容-二极管回路”中存在高频的谐振电流，因此将造成严重的差模电磁辐射，文献[13]给出远场区(D>c/2πf)的电磁辐射计算式为

(2)

式(2)中：I为差模电流幅值；A为差模辐射面积；f为差模电流频率；D为测试点距辐射源距离；c为光在真空中的传播速度；Z0为自由空间波阻抗(远场区时为一个定值)。

2 RC缓冲电路对buck型开关电源电磁辐射影响的仿真分析

为验证RC缓冲电路对buck型开关电源电磁辐射的影响，在CST[14]设计工作室中绘制考虑非理想性的buck型开关电源原理图(见图3)，其中，3 nH电感为回路走线的寄生电感，二极管D1的寄生电容为500 pF，RC缓冲电路为10 Ω电阻与330 pF电容串联，激励设置为幅值30 V,周期3.4 μs,占空比20.8%,上升/下降时间20 ns/20 ns的电压源。分别在二极管和RC缓冲电路处放置probe，以获取其电流波形。仿真结果见图4。

图3 buck型开关电源原理图仿真

a) 加入RC缓冲电路前

b) 加入RC缓冲电路后

由图4可知，加入RC缓冲电路后发生谐振时二极管处的电流衰减较快。但由式(2)可知，在差模辐射面积A,测试点距辐射源距离D及自由空间波阻抗Z0一定时，电磁辐射强度与差模电流幅值I和差模电流频率f有关。因此，必须对二极管处谐振电流的时域波形进行傅里叶变换，得到相应的频谱，只有如此才能直观地对比RC缓冲电路对电磁辐射的影响。利用CST的数据处理功能对图4所示的二极管处谐振电流波形进行傅里叶变换，结果见图5(为方便对比，对原图进行处理，由于保留了典型的峰值点，因此不影响对比结果，图7和图8同理)。从图5中可看出，RC缓冲电路在低频段可有效降低差模电流，但在高频段反而会增大差模电流。由此可推断，在低频段使用RC缓冲电路可有效降低buck型开关电源的电磁辐射水平，而在高频段使用RC缓冲电路反而会使电磁辐射增强。

另外，由式(2)可知电磁辐射强度还与差模辐射面积有关。由于加入了RC缓冲电路，且在开关Q1打开瞬间RC缓冲电路势必会有电流通过，因此RC缓冲电路引入的额外回路面积(RC缓冲电路与二极管构成的回路面积)将在一定程度上增强buck型开关电源的电磁辐射。由此可知，减小RC缓冲电路与二极管构成的回路面积可减小buck型开关电源的电磁辐射。

图5 加入RC缓冲电路前后二极管处电流频谱

3 RC缓冲电路对buck型开关电源电磁辐射影响的试验对比

为验证上述仿真分析结果，进行RC缓冲电路对buck型开关电源电磁辐射影响的试验对比，试验在国家光电子产品质量监督检验中心进行。

试验首先以TI公司提供的LM5575开关电源评估板为研究对象，该评估板在出厂时已采用RC缓冲电路对开关节点的谐振进行抑制(见图6)。试验对比拆掉RC缓冲电路前后LM5575开关电源评估板的电磁辐射强度(见图7)。从图7中可看出，RC缓冲电路在低频段可有效地降低LM5575开关电源评估板的电磁辐射水平，而在高频段反而使电磁辐射有所增强。

图6 LM5575开关电源评估板和LM5575开关电源试验板

图7 RC缓冲电路对电磁辐射的影响

为验证减小RC缓冲电路与二极管构成的回路面积对buck型开关电源电磁辐射的影响，制作LM5575开关电源试验板(如图6所示)。试验对比减小RC缓冲电路与二极管构成的回路面积前后LM5575开关电源试验板的电磁辐射强度(见图8)。从图8中可看出，减小RC缓冲电路与二极管构成的回路面积之后电磁辐射有所降低。

图8 RC缓冲电路与二极管面积对电磁辐射的影响

4 结束语

借助CST仿真软件分析RC缓冲电路对buck型开关电源电磁辐射的影响，得到以下结论：

(1)RC缓冲电路在低频段可有效降低buck型开关电源的电磁辐射水平，在高频段反而会使电磁辐射增强；

(2)减小RC缓冲电路与二极管构成的回路面积可降低buck型开关电源的电磁辐射水平。

试验验证了结论的正确性。该研究对船用电子设备中开关电源的设计有一定的指导意义。

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Electromagnetic Radiation of Switching Power Supply in Marine Electronic Equipment

YANGWei,JINHuabiao,WEILiuxin,ZHAOHaiou,YUFangping

(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

1000-4653(2016)04-0034-04

U665.26

A

2016-08-06

国家自然科学基金(51109172)

杨 伟(1990—),男,湖北南漳人，硕士生，从事船用电子设备电磁兼容性研究。E-mail: frankyang_wei@163.com 金华标(1976—)，男，江西临川人，副教授，博士，从事船用电子设备电磁兼容性研究。E-mail:yx_jhb@163.com