交错并联BUCK电源CE102超标问题及解决措施

摘 "要：针对交错并联BUCK电源在10 kHz～10 MHz频率范围内传导噪声超标严重的问题，分析了交错并联BUCK电源的工作过程、纹波抑制和原始噪声，提出了EMI滤波器的设计方法，通过对差模电容高频特性、抑制原理的分析，结合插入损耗测试，对差模电容的选型进行了优化。实验结果表明，加装EMI滤波器后的交错并联BUCK电源能够达到GJB 151B—2013中CE102的测试标准，证明了设计的有效性。

关键词：交错并联BUCK电源；EMI滤波器；CE102；差模电容

中图分类号：TM46 " " " " " " " " " " " " " " " 文献标识码：A 文章编号：1008-5483（2024）02-0047-05

Problem of Excessive CE102 for Interleaved Parallel BUCK

Power Supplies and Its Solutions

Li Jin1， Mei Jianwei1， Wei Haibo1， Han Wenjie2

（1. School of Electrical amp; Information Engineering， Hubei University of Automotive Technology， Shiyan 442002， China; 2. Spallation Neutron Source Research Center， Institute of High Energy Physics， Chinese Academy of Sciences，

Dongguan 523803， China）

Abstract： In view of the problem of excessive conducted noise in the frequency range from 10 kHz to 10 MHz for interleaved parallel BUCK power supplies， the working process， ripple suppression， original noise， and standard limits of interleaved parallel BUCK power supplies were analyzed. A design method for electromagnetic interference （EMI）filters was proposed. By analyzing the high-frequency characteristics and suppression principle of differential mode capacitors， an insertion loss test was conducted， and the selection of differential mode capacitors was optimized. The experimental results show that the interleaved parallel BUCK power supply with EMI filters can meet the testing standards of CE102 in GJB 151B—2013， proving the effectiveness of the design.

Key words： interleaved parallel BUCK power supply; EMI filter; CE102; differential mode capacitor

交错并联BUCK电源由于电感耦合、反馈回路中元件干扰、开关器件高速通断等原因，可能导致传导干扰噪声严重超标，从而影响电源稳定性和信号质量，干扰其他模块或设备的正常运行［1-2］。文献［3］中设计了EMI滤波器，结合PCB整改解决了CE102噪声超标问题。文献［4］中设计了EMI滤波器，使用差模电感加强了对差模干扰的抑制，解决了220V交流电源的CE102超标问题。文献［5］中使用无源EMI滤波器与有源滤波器相结合的方式，解决了DC-DC转换器的噪声超标问题。文献［6］通过差模滤波器、共模滤波器的仿真验证了EMI滤波器设计方法的准确性。上述研究解决的噪声超标问题最严重处不超过40 dB，是以小电流、低功率的电源作为实验对象，且需要多种方法进行组合，较为复杂。文中以某款交错并联BUCK电源为研究对象，其输出电流达到62 A，输出功率为800 W，针对原始噪声设计EMI滤波器，并对差模电容的选型进行优化，达到GJB 151B—2013中CE102的测试标准，使受试设备通过传导发射测试。

1 产品分析

1.1 工作过程及纹波抑制

输入电压经过输入滤波器后，分配到多个并联的BUCK转换器中，每个转换器通过控制信号调整开关管的开关频率和占空比，将输入电压转换为稳定的输出电压，负载被均衡分担到各个并联的BUCK转换器上，同时通过输出滤波器平滑输出电压，并通过同步控制确保各转换器的协同工作，从而提供可靠的电源输出。原理如图1所示。交错并联拓扑采用纹波相位交错的方式，相邻桥臂开关管在每个周期导通时间相同，且相位相差180°，使得电感电流纹波的峰值与谷值可相互抵消，减小了总的输出纹波。同时，不同电源或负载的工作状态会交替出现，从而减小干扰源对电路性能的影响。这种交错并联设计的优势在于有效降低电流纹波和干扰源，提高电路的可靠性和稳定性。因实验条件有限，仅对输出电压纹波进行了测试，见图2。

1.2 测试方法

传导干扰实验在暗室内进行，使用的设备包括干扰检测仪主机、交直流网络（LISN）、受试设备（EUT）、电流钳、探头部件（探头开关、脉冲限幅器、探头连接线）等，测试环境如图3所示。电源通过输入端口经去耦电路给EUT进行供电，EUT工作时产生的传导噪声信号经耦合回路送至测试模式电路，最后经输出端口输出至接收机。

1.3 测试结果与分析

实验开始前，对环境噪声电平（被测设备不工作）进行测量，保证满足测试要求，测量结果需要减去底噪的测量数据误差。整改前实验室环境底噪如图4a所示，交错并联BUCK电源的原始噪声数据如图4b所示。由图4b可知，开关电源频率为10 kHz～10 MHz，传导骚扰噪声严重超标。主要原因在于交错并联BUCK电路中的MOS管等开关元件在切换过程中导致电流和电压的快速变化，从而产生传导骚扰；另一个主要原因是滤波电容容量不足，ESR过高导致高频电流以差模形式传导到输出端回路形成传导骚扰。表1为无滤波器时关键频率点（开关频率倍频点）对应的限值。

2 EMI滤波器设计

2.1 设计要求

使用表1中的余量值，加上插入损耗的设计裕量6 dB，得到滤波器插入损耗指标，如表2所示。根据原始噪声的特点粗略划分为3个频段，0.15～0.5 MHz以差模干扰为主，0.5～5 MHz差共模干扰共存，5 MHz以上以共模干扰为主［7］。同时在设计过程中考虑一些其他因素的影响，比如开关电源的频率为50 kHz；输入电源的电压为18～32 V，功率因素为0.92；输出负载的功率为800 W；流经滤波器的输入电流为42 A，输出电流为62 A。

2.2 拓扑结构设计

选用电感和电容组合的LC滤波器结构，如图5a所示，其中CX1和CX2是差模电容，接在零线与火线之间，主要用来抑制差模噪声；电阻R为泄放电阻，主要用来释放差模电容的存储电荷，并提供可靠的性能和电路保护；CY1和CY2是共模电容，接在零线/火线与滤波器外壳之间，主要用来抑制共模噪声；L为共模电感，由匝数相同、绕向相反、并且在同一磁环上的2组独立线圈构成，主要用来抑制共模噪声；由于2个线圈之间不对称，L存在一定的差模漏感，为感量的0.5%～2%，因此L可以在一定程度上抑制差模噪声［8］。

根据表2可以发现传导骚扰噪声最严重的地方，即400 kHz处需要实现高达53 dB的衰减。常规的二阶EMI滤波器最大衰减为40 dB左右，无法达到衰减要求，因此选用三阶EMI滤波器，滤波电路如图5b所示。

2.3 参数设计

EMI滤波器对传导噪声的抑制能力通常用插入损耗来表示，插入损耗越大，对噪声的抑制能力越强，计算公式为［9］

[IL=10lg（P1/P2）=20lg（U1/U2）] （1）

式中：[IL]为插入损耗；[P1]为RS两端功率；[P2]为RL两端功率；[U1]为RS两端电压；[U2]为RL两端电压。接入滤波器前后的电路如图6所示。为便于分析，以一阶滤波器的参数计算进行说明。

差模电容一般使用薄膜电容器，容量通常为0.47～10 [μ]F，计算公式为

[CX=1 FUR] （2）

式中：F为开关电源的频率，取50 kHz；[UR]为输入电压的1/10，取2 V；[CX]为差模电容。

共模电容有最大漏电流的限制，一般不超过0.5 mA，常使用耐高压的陶瓷电容。计算公式为

[CY=2πfUC I] （3）

式中：[I]为对地漏电流，取0.01 mA；[f]为开关电源频率，取50 kHz；[UC]为共模电容上的压降，取0.13 V；[CY]为共模电容。

差模电感的取值通常为1～10 mH，计算公式为

[LDM=12ΠFD21CX] （4）

式中：[FD]为差模截止频率，取8 kHz；[LDM]为差模电感。

共模电感[LCM]的取值通常为2～50 mH，磁芯材料多采用磁导率较高的锰锌铁氧体，计算公式为

[LCM=12ΠFC212CY] （5）

式中：[FC]为共模截止频率，取46 kHz。

经上述计算，EMI滤波器[CX]为10 uF，[CY]为3 nF，[LCM]为2 mH。

2.4 安装EMI滤波器后的测试结果

EMI滤波器的安装实物如图7所示，加装了屏蔽外壳，防止线路之间的耦合降低滤波特性。交错并联BUCK电源的测试结果如图8所示。由图8可知，10～40 kHz以及200 kHz～5 MHz已经解决了超标问题，50～100 kHz还存在2个频率点超标。具体参数如表3所示。

开关频率为50 kHz，在此频率处存在噪声超标问题，则必是以差模干扰为主。因此需要对差模电容的选型进行优化。大电流的情况下不宜使用差模电感，会出现差模电感的饱和磁场干扰等问题。

3 EMI滤波器优化

3.1 差模电容的高频特性及抑制原理

根据经验选取差模电容的容值，如果不符合限值要求，就增加差模电容的容量。原因在于不能充分观测噪声信息及差模电容的高频特性，只能通过反复试错来解决噪声超标问题［10］。通过建模仿真研究插入损耗随容值变化的关系，以及并联电容和增大容量的区别，便于高效准确地选取差模电容。电容高频等效电路模型如图9a所示。Llead为引线电感，称为串联等效电感ESL；Clead为引线电容，通常比C小得多，可以忽略不计；Rplate为平行板电阻，也称为串联等效电阻ESR，对一般陶瓷电容来说可以忽略；Rdiet为电介质中的损耗，在电容器中表现为漏电流，可在电容器模型中忽略。由此得到电容的高频模型，如图9b所示。电容滤波不仅需要关注其容值，也需要考虑谐振频率，公式为

[f0=12ΠLleadC] （6）

差模电容的抑制原理主要分为2个方面：1）通过阻抗不匹配作用抑制；2）通过噪声电流平衡作用抑制。其有效性会随频率、电容值、滤波器拓扑而发生改变。CX1的有效性取决于与其并联元件之间的阻抗不匹配程度，阻抗必须足够低；CX2的有效性取决于LISN电流的平衡程度。因此差模电容既是阻抗匹配电容，也是平衡电容，每个功能的有效性都取决于不同的标准［11-12］。

3.2 差模电容的确定

使用频率分析仪对差模电容的插入损耗进行对比测试，如图10所示［13-14］。首先对不同材料、相同容值的电容进行插入损耗测试，CBB电容在50～100 kHz频率范围内具有更高的插入损耗，部分测试结果如图11a所示。对不同容值的CBB电容进行插入损耗测试，22 [μ]F的电容在50～100 kHz频率范围内具有更高的插入损耗，部分测试结果如图11b所示。对不同容值的CBB电容并联进行插入损耗测试，22 [μ]F的电容并联在50～100 kHz频率范围内插入损耗值最大，测试结果见图11c。

由上述测试结果可知：相同材质的电容，随着容值的增大，谐振频率逐渐减小，插入损耗逐渐增大；相同电容并联以后，谐振频率逐渐减小，插入损耗值增加6 dB左右。采用多个电容并联的方式可以更好地减小噪声干扰、均衡电流负载、提高信号带宽以及更好地适应空间限制。因此，使用2个22 [μ]F-CBB电容并联作为新的差模电容。

3.3 改进滤波器的结果

将改进后的EMI滤波器接入交错并联BUCK电源，测得的传导干扰曲线如图12所示。由图12可知，使用2个22 [μ]F-CBB电容并联之后，CE102传导发射实验合格。

4 结论

设计了一款EMI滤波器，并对差模电容的选型进行了优化，较大程度上避免了以往凭借经验进行设计的弊端。实验结果表明，文中措施有效解决了交错并联BUCK电源传导骚扰噪声超标的问题，为其他开关电源的电磁兼容性整改提供了参考。

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