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(武漢理工大學 能源與動力工程學院， 武漢 430063)

船用電子設備中開關電源的電磁輻射

楊偉，金華標，魏柳新，趙海鷗，喻方平

(武漢理工大學能源與動力工程學院，武漢430063)

為研究RC緩沖電路對開關電源電磁輻射的影響，對buck型開關電源基本電路進行仿真，對比加入RC緩沖電路前后開關節(jié)點處的諧振波形，通過傅里葉變換分析RC緩沖電路對電磁輻射的影響規(guī)律。通過分析得到以下結論：RC緩沖電路在低頻段可有效降低buck型開關電源的電磁輻射水平，在高頻段反而會使電磁輻射增強；減小RC緩沖電路與二極管構成的回路面積可降低buck型開關電源的電磁輻射水平。通過試驗驗證結論的正確性，可為開關電源中RC緩沖電路的使用提供參考。

船用電子設備；buck型開關電源；RC緩沖電路；電磁輻射；諧振

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

隨著船舶自動化程度不斷提高，越來越多的電子設備被應用到船舶通信、導航、監(jiān)測診斷及控制等領域中，僅在駕駛臺就布置有雷達、全球定位系統(tǒng)、船舶自動識別系統(tǒng)、陀螺羅經及甚高頻通信設備等十余種電子設備。國際海上人命安全公約(International Convention for Safety of Life at Sea, SOLAS)[1]規(guī)定：各國主管機關應確保安裝在2002年7月1日及以后建造的船舶上的位于駕駛臺或鄰近駕駛臺的所有電氣和電子設備必須滿足電磁兼容性要求。國內有關電磁兼容的研究起步較晚，船舶電磁兼容方面的研究更少，導致產品設計中出現(xiàn)很多電磁兼容問題，尤其是輻射問題。文獻[2]研究2006—2008年在上海工業(yè)儀表自動化研究所進行電磁兼容試驗的13套國產船載航行數(shù)據(jù)記錄儀的測試結果，其中因外殼端口輻射導致電磁兼容試驗不合格的就有6套。

開關電源因具有體積小、效率高等優(yōu)點而在船用電子設備中得到廣泛應用。[3]然而，由于開關電源的工作原理特殊，電磁兼容性較差，這使得開關電源成為船用電子設備主要的電磁干擾源之一。[4]為改善開關電源的電磁兼容性能，國內外相關學者對開關電源的電磁干擾機理進行了較多研究，提出了很多有針對性的抑制方案。這其中，RC緩沖電路是一種較為常用的設計方法，主要用于抑制開關器件在開關狀態(tài)改變瞬間產生的諧振。文獻[5]詳細介紹RC緩沖電路的原理、設計和應用；文獻[6]利用RC緩沖電路對隔離式開關電源整流二極管處的浪涌電壓進行抑制；文獻[7]利用RC緩沖電路對正激變換器中開關節(jié)點處的尖峰電壓進行抑制。雖然關于RC緩沖電路的研究較多，但大多以改善開關器件處的諧振波形為主，對電磁輻射的研究不夠深入。文獻[8]研究RC緩沖電路對同步式開關電源電磁輻射的影響，但僅對比電磁輻射的最大值，且缺乏試驗驗證。文獻[9]指出開關電源常造成30～300 MHz頻段輻射超標，因此研究RC緩沖電路對開關電源電磁輻射的影響具有一定意義。開關電源的基本拓撲結構有buck，boost和buck-boost等3種，其中buck型開關電源因具有體積小、質量輕和成本低等優(yōu)點而在微型計算機、小型開關電源模塊、輔助電源及通信設備的二次電源等小功率場合得到廣泛應用[10]，因此這里以buck型開關電源為研究對象。在buck型開關電源中，RC緩沖電路一般并聯(lián)在二極管兩端，用于抑制開關狀態(tài)切換時開關節(jié)點處的諧振。通過CST仿真并結合理論分析，研究RC緩沖電路對buck型開關電源電磁輻射的影響，并進行試驗驗證。

1 buck型開關電源電磁干擾分析

1.1 buck型開關電源基本工作原理

根據(jù)文獻[11]中buck型開關電源的基本工作原理，可得buck型開關電源基本電路見圖1。將功率半導體器件Q1作為開關，將輸入直流電壓斬波為方波，經低通濾波即可輸出直流電壓。工作過程為：PWM controller輸出脈沖占空比可調的脈沖群以控制開關Q1的通斷，通過調節(jié)脈沖占空比達到調節(jié)輸出電壓的目的；當開關Q1導通時，二極管D1截止，電源向電感和電容充電并向負載供電；當開關Q1截止時，電感和電容通過二極管D1向負載供電。

圖1 buck型開關電源基本電路

1.2 buck型開關電源電磁干擾分析

隨著開關Q1的通斷，開關節(jié)點SW處電壓波形應為標準的方波，但由于實際電路中有源器件(開關和二極管)、無源器件(電阻、電容、電感)及印制電路板均為非理想性的，開關節(jié)點SW處的電壓波形會與理想狀態(tài)有很大不同。圖2為考慮非理想性的buck型開關電源原理圖，其中，L_loop 1，L_loop 2，L_loop 3和L_loop 4為回路走線的寄生電感，Cj為二極管D1的寄生電容。

圖2 buck型開關電源原理圖(考慮非理想性)

由圖2可知，二極管D1的寄生電容Cj與回路走線的寄生電感L_loop 4將構成串聯(lián)諧振電路，因此在開關Q1打開瞬間，開關節(jié)點SW處將發(fā)生諧振現(xiàn)象。諧振頻率的計算式為

(1)

諧振電流會自動尋找阻抗最小的路徑進行回流，由于功率電感L的值一般很大，因此諧振電流不會通過功率電感；與二極管距離較近的輸入去耦電容可提供較小的回路電感，回路電感越小，回路阻抗也就越小。因此，諧振電流的完整回路如圖2虛線所示，下面將該回路統(tǒng)一稱為“輸入去耦電容-二極管回路”。[12]

由于在開關Q1打開瞬間“輸入去耦電容-二極管回路”中存在高頻的諧振電流，因此將造成嚴重的差模電磁輻射，文獻[13]給出遠場區(qū)(D>c/2πf)的電磁輻射計算式為

(2)

式(2)中：I為差模電流幅值；A為差模輻射面積；f為差模電流頻率；D為測試點距輻射源距離；c為光在真空中的傳播速度；Z0為自由空間波阻抗(遠場區(qū)時為一個定值)。

2 RC緩沖電路對buck型開關電源電磁輻射影響的仿真分析

為驗證RC緩沖電路對buck型開關電源電磁輻射的影響，在CST[14]設計工作室中繪制考慮非理想性的buck型開關電源原理圖(見圖3)，其中，3 nH電感為回路走線的寄生電感，二極管D1的寄生電容為500 pF，RC緩沖電路為10 Ω電阻與330 pF電容串聯(lián)，激勵設置為幅值30 V,周期3.4 μs,占空比20.8%,上升/下降時間20 ns/20 ns的電壓源。分別在二極管和RC緩沖電路處放置probe，以獲取其電流波形。仿真結果見圖4。

圖3 buck型開關電源原理圖仿真

a) 加入RC緩沖電路前

b) 加入RC緩沖電路后

由圖4可知，加入RC緩沖電路后發(fā)生諧振時二極管處的電流衰減較快。但由式(2)可知，在差模輻射面積A,測試點距輻射源距離D及自由空間波阻抗Z0一定時，電磁輻射強度與差模電流幅值I和差模電流頻率f有關。因此，必須對二極管處諧振電流的時域波形進行傅里葉變換，得到相應的頻譜，只有如此才能直觀地對比RC緩沖電路對電磁輻射的影響。利用CST的數(shù)據(jù)處理功能對圖4所示的二極管處諧振電流波形進行傅里葉變換，結果見圖5(為方便對比，對原圖進行處理，由于保留了典型的峰值點，因此不影響對比結果，圖7和圖8同理)。從圖5中可看出，RC緩沖電路在低頻段可有效降低差模電流，但在高頻段反而會增大差模電流。由此可推斷，在低頻段使用RC緩沖電路可有效降低buck型開關電源的電磁輻射水平，而在高頻段使用RC緩沖電路反而會使電磁輻射增強。

另外，由式(2)可知電磁輻射強度還與差模輻射面積有關。由于加入了RC緩沖電路，且在開關Q1打開瞬間RC緩沖電路勢必會有電流通過，因此RC緩沖電路引入的額外回路面積(RC緩沖電路與二極管構成的回路面積)將在一定程度上增強buck型開關電源的電磁輻射。由此可知，減小RC緩沖電路與二極管構成的回路面積可減小buck型開關電源的電磁輻射。

圖5 加入RC緩沖電路前后二極管處電流頻譜

3 RC緩沖電路對buck型開關電源電磁輻射影響的試驗對比

為驗證上述仿真分析結果，進行RC緩沖電路對buck型開關電源電磁輻射影響的試驗對比，試驗在國家光電子產品質量監(jiān)督檢驗中心進行。

試驗首先以TI公司提供的LM5575開關電源評估板為研究對象，該評估板在出廠時已采用RC緩沖電路對開關節(jié)點的諧振進行抑制(見圖6)。試驗對比拆掉RC緩沖電路前后LM5575開關電源評估板的電磁輻射強度(見圖7)。從圖7中可看出，RC緩沖電路在低頻段可有效地降低LM5575開關電源評估板的電磁輻射水平，而在高頻段反而使電磁輻射有所增強。

圖6 LM5575開關電源評估板和LM5575開關電源試驗板

圖7 RC緩沖電路對電磁輻射的影響

為驗證減小RC緩沖電路與二極管構成的回路面積對buck型開關電源電磁輻射的影響，制作LM5575開關電源試驗板(如圖6所示)。試驗對比減小RC緩沖電路與二極管構成的回路面積前后LM5575開關電源試驗板的電磁輻射強度(見圖8)。從圖8中可看出，減小RC緩沖電路與二極管構成的回路面積之后電磁輻射有所降低。

圖8 RC緩沖電路與二極管面積對電磁輻射的影響

4 結束語

借助CST仿真軟件分析RC緩沖電路對buck型開關電源電磁輻射的影響，得到以下結論：

(1)RC緩沖電路在低頻段可有效降低buck型開關電源的電磁輻射水平，在高頻段反而會使電磁輻射增強；

(2)減小RC緩沖電路與二極管構成的回路面積可降低buck型開關電源的電磁輻射水平。

試驗驗證了結論的正確性。該研究對船用電子設備中開關電源的設計有一定的指導意義。

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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

國家自然科學基金(51109172)

楊 偉(1990—),男,湖北南漳人，碩士生，從事船用電子設備電磁兼容性研究。E-mail: frankyang_wei@163.com 金華標(1976—)，男，江西臨川人，副教授，博士，從事船用電子設備電磁兼容性研究。E-mail:yx_jhb@163.com