高频电源电磁兼容优化设计方法

庞骥庭

（西安爱生技术集团有限公司，陕西 西安 710065）

0 引 言

随着现代装备系统的逐步发展，系统的结构逐渐复杂化和多样化，为了确保系统能够稳定的工作，对电磁兼容性提出一定的要求。电源作为系统供电的主要部分，提高其电磁兼容性，是保证系统稳定工作的关键[1]。相比于低频电源，高频电源无论是在体积上或是在成本与运行效率层面均具有较为显著的优势，因此在装备系统上得到广泛应用。但高频电源在高频运行中极易受到电源电磁干扰，导致装置、支撑系统的性能不足，并且对高频设备附近的物质造成严重的损害[2]。本文设计的电源电磁兼容方法可以控制高频电压电子设备在指定电磁环境下运转时实现电源电磁之间的兼容，实现对高频电子设备的抗干扰设计，即高频设备在强烈电磁干扰的条件下，应用本文方法可保证系统稳定工作，避免受到电磁干扰。尽管我国早已针对此方面展开了深入研究，但由于缺少专项技术作为支撑，导致设计的兼容方法指向性较强，即仅在应用到某个指定电磁环境时才具有有效性，一旦环境参数改变，兼容方法便不再适用[3]。为了更好地解决电源电磁兼容问题，提出基于高频电源电磁兼容优化设计方法。

1 基于高频电源电磁兼容优化设计方法

1.1 优化电源功率驱动电路平衡输出

为实现在高频段中电源电磁兼容性提升，本文在对电源进行优化时，首先针对其功率驱动电路平衡输出问题进行优化。通常情况下，电源中的芯片需要输出一个信号以驱动一个10 V左右的片外功率，且无需具备驱动电路结构，导通阻抗相对较小[4]。为了进一步提高电源在运行过程中开关动作的可靠性，还需要在尽可能多的传输延迟条件下设定一个区域时间，以防止驱动电路出现短路问题。传统方法提升驱动能力的同时，造成了版图面积的增加，产生了严重的开关噪声[5]。针对这一问题，本文在对电源的驱动电路进行设计时，需要从各个方面考虑到影响稳定性的因素，从而实现对电源功率驱动电路平衡输出优化。基于此，本文采用一种新型高压驱动结构，其结构如图1所示。

图1 本文电源功率驱动电路结构示意图

利用本文上述设计的电源功率驱动电路结构，通过Level Shift完成对电源电路低压控制信号到高压控制信号的转换，通过推挽和防死区结构实现电源功率驱动电路的死区功能，减小电源运行过程中的传输时延，从而解决电源运行时两组或多组驱动信号不同步的问题。同时，设计的电源功率驱动电路结构能够进一步节省对电源电平检测电路产生逻辑，使结构更加简单。

1.2 电源噪声滤除去耦结构设计

由于电源在运行过程中会受到周围环境因素以及谐波污染的影响，导致运行效果无法满足实际要求，因此针对这一问题，本文在电源结构中引入一种片上去耦电容，对电源进行降噪和滤波处理[6]。利用去耦电容抵消电源线和地线产生的耦合，以此避免在电源运行过程中大量噪声进入到衬底结构中。本文将去耦电容连接到电源电路模块与电源线之间。开启开关时，由于电源线中存在寄生电感，因此电源上的电流会受到影响，并逐渐产生噪声。针对这一现象，通过引入寄生电容实现去耦电容，抑制噪声[7]。

为确保本文引入的片上去耦电容能够实现对噪声的最大吸收，需要在电源中有效跟踪滤波最大功率点，确保片上去耦电容能够在滤波最大功率上进行操作。首先，寻找滤波最大功率点时，在输入电压上添加一个时刻变化的量，并在电源电压不再发生改变后测量电源的电流和电压[8]。其次，计算电源输出功率，得到新的输入值和输出值，再重复上述操作。最后，将上述两组数据进行综合比较，若第一组输入值和输出值更大，则认为第一组所在节点为滤波最大功率点，反之则认为第二组所在节点为滤波最大功率点。确保片上去耦电容能够在滤波最大功率点完成去耦操作，即可实现对电源噪声的滤除，并确保得到最佳噪声滤除效果。

1.3 基于高频电源环路电感误差补偿控制

根据上述操作，确保电源能够在最佳条件下运行，为了实现在高频段中电源环路电感的误差补偿，本文设计误差补偿控制机制。

在对高频段电源环路电感进行误差补偿时，首先对环路电感进行计算，其公式为：

式中，L表示为高频段中电源环路电感；k表示为电源变压器线圈半径；μ表示为真空状态下电源磁导率，通常情况下取2.5π×10-7；N表示为电源变压器线圈匝数；S表示为电源变压器线圈横截面面积；l表示为电源变压器线圈实际长度。根据式（1）完成对高频段中电源环路电感的计算后，利用电源电感无偿补偿电路对高频电源环路电感数值超出或未达到标准范围的环路进行电感补偿。分别利用电压钳位电路、电流采样电路、电压稳定隔离电路以及平衡点控制电路构成电源电感误差补偿电路，它们在电源开关管导通期间存在的关系为：

式中，Uc表示为电压钳位电路电压；U11表示为电流采样电路电压；U12表示为电压稳定隔离电路电压。

电源电流采样电路工作时，电源运行过程中产生驱动信号，信号的强度为由低到高，当开关逐渐转为导通并达到3.46 μs时，在其中一端输出一个相对较低的电平窄脉冲，以此确保另一端电路的导通，并通过两端电路构成一个电流镜，而流经其中的电流将会按照事先设置的比例镜像到另一端电流[9]。同时，在电源运行过程中，当其中一端闭合后，通过本文上述引入的片上去耦电容能够确保电源各个电路的栅压不发生改变，以此维持电流采样电路的电压和电流大小始终保持不变，实现对电源环路电感误差补偿。

2 实验论证分析

为进一步验证本文设计方法的应用效果，进行对比实验。本文在对兼容优化设计时，更多地关注高频开关电源的抗电磁干扰能力优化，而一般开关电源结构的谐波只能够在低频段完成，并变为明显的传导干扰。为确保本文设计方法能够有效应用于实际，并通过实验得出真实效果，本文选择在《国家军用电磁兼容性标准》下选择22.5～1 000 MHz范围的高频段，将干扰频率设置在110～1 000 MHz范围内，构建电磁干扰环境。

为了更加方便验证两种不同电源的抗干扰能力，在实验过程中分别选择250 MHz、500 MHz、600 MHz、800 MHz以及1 000 MHz共5个频率点，通过分析5个不同频率点上优化前后电源的电流和近场情况，并将两种电源的电磁辐射数值作为评价指标，得出如表1所示的实验结果。

表1 优化前后电源电磁辐射范围对照

从表1中实验结果可以看出，优化前电源电磁辐射数值均超过6.000 μW/cm2，与电源运行标准中提出的小于5.000 μW/cm2规定严重不符。而优化后电源电磁辐射数值均在1.500 μW/cm2范围以内，符合电源在高频段的运行标准。在应用本文设计方法后，高频状态下电源的电磁辐射数值明显减小，进场辐射范围也缩减。因此，通过对比实验证明，本文提出的方法可以有效提高电源在高频段中的电磁兼容性。

3 结 论

电源电磁干扰对于高频设备与装备系统的影响越发显著，为了更好地解决与此方面相关的问题，本文提出了一种基于高频电源的电磁兼容优化设计方法。经过实验证明，本文方法在实际应用中明显保证了电磁干扰下的电源性能，保障了系统的稳定运行。在未来的研究中，尝试将设计的方法应用到装备系统中，通过不断实践发现本文方法存在的不足，并在后期对本文方法加以改进，真正解决电源受电磁干扰的问题。