航天器DC-DC变换器EMC设计与测试分析
DC-DC变换器的小型化和高频化是其发展趋势，但同时带来了更加严重的EMC问题。DC-DC变换器中开关管MOSFET和整流二极管在导通和截止的过程中，快速的上升和下降过程中大电流变化所产生的辐射能量已经成为噪声的主要来源。由于印制板元器件布局引起的变换器内部元器件之间的寄生电容及印制板布线引起的寄生电容也是产生EMI的根源之一。
4.1 MOSFET开关噪声分析与抑制
DC-DC变换器中MOSFET作为功率开关管工作在硬开关状态时，由于其寄生电感和寄生电容的作用，在开关管通断工作时，会产生较大的电压浪涌和电流浪涌。如图4所示MOSFET的寄生电容Cr与MOSFET并联，寄生电感Lr与其串联。开关接通时电路及等效电路如图5所示，开关接通前加在开关两端的电压为Uoff，开关寄生电容中储存的能量为：
开关接通时，寄生电容放电，在MOSFET中流过较大的浪涌电流，其波形如图6所示。
开关管MOSFET断开时的电路及等效电路如图7所示。在开关接通时，MOSFET上的电流等于通态电流Ion，同时寄生电感Lr上的电流也等于Ion。寄生电感中存储的能量为：
MOSFET断开时，这个能量对寄生电容Cr充电，开关管上产生较大的高频电压振荡。开关断开时的电阻Rtoff是变化的，从最小电阻即通态电阻，变到最大电阻即开路电阻。由等效电路可求得加在开关管两端的电压为：
上式所示的开关管断开时电压波形如图8所示。从图上可看出，由于寄生电感与寄生电容的作用，在开关管上出现了超高频振荡电压，这一电压称为电压浪涌，峰值约为开关管断开时电压的2倍。若开关断开前MOSFET上的Ion较大，则电压浪涌峰值也更大。
开关管MOSFET在断开时产生的超高频振荡电压，将以辐射发射和传导发射的形式对变换器内部及外部进行干扰。并且，电压浪涌尖峰容易超出MOSFET的安全工作电压范围，对它的可靠性造成严重的危害。因此，从减小电磁干扰和增强可靠性两方面考虑，必须采取措施进行有效抑制。如图9所示，在MOSFET的漏源极间并联一个RC串联网络与MOSFET形成缓冲回路。RC缓冲回路可有效地钳制MOSFET漏源极间电压的上升峰值，但同时延缓了开关时间，增大了开关损耗。RC的参数根据开关管断开时的漏源电压及导通时流过的电流确定。
4.2 整流二极管噪声分析与抑制
二极管的一个重要参数是反向恢复时间trr，trr的大小直接关系到二极管所产生的噪声大小。对于PN结型二极管因为存在少数载流子的存储效应，二极管关断时存储电荷和多余电荷的恢复需要一定的反向恢复时间，并由此产生一定的反向恢复电流。同时，二极管的关断损耗和反向恢复时间与电流峰值有关，并且开关频率越高，损耗越大。为了减小高频下的关断损耗，希望反向恢复时间越短越好，结果造成电流变化率di/dt增大。由此很容易引起二极管的寄生电感和寄生电容的振荡，表现在输出端为频率和幅值都较大的纹波。同时，反向恢复电流峰值还随正向电流的增大而增大，在输出端会形成很大的电压尖峰，成为输出噪声的主要成分。
在高频DC-DC变换器中肖特基二极管已经广泛使用，它利用金属半导体结的势垒作用，根据漂移现象产生电流，电荷不会积累，与快恢复二极管相比，反向恢复时间和反向恢复电流都非常小，关断电流di/dt小，因而引起的振荡纹波及电压尖峰也小。尽管选用肖特基二极管会减小输出纹波及尖峰，但由于电路寄生参数的影响，其产生的噪声仍不可忽视。可以在二极管两端并联简单的RC串联缓冲网络以进一步减小噪声。
4.3 输入输出端EMI分析与滤波器设计
(1) 输入输出端EMI分析
DC-DC变换器中，由于寄生参数的存在以及开关管的高速导通和关断，使得变换器在输入输出端产生较大的干扰噪声。干扰噪声是差模分量和共模分量共同作用的结果。差模噪声就是通常意义上的噪声，产生的干扰信号与工作信号将以电势源的形式串联加于变换器的输入端，会对系统产生直接的影响。共模噪声发生在每根传输线和地线之间。共模干扰是由共模电流引起的，DC-DC变换器中的各器件之间和器件与机壳之间都存在寄生电容，导线存在寄生电感，这些寄生参数构成了一个寄生传输网络。当功率开关高速开通与关断时，会产生一个脉冲序列——脉冲源，该脉冲源通过寄生传输网络在变换器的输入、输出线与地线之间产生共模电流干扰。
(2) EMI滤波器设计
电磁干扰从设备内发射出来或进入设备只有两个途径，就是空间电磁辐射的形式和电流沿着导体传导的形式。现在我们已经认识到输入输出滤波器不仅对电源线传导发射（CE102）和传导敏感度(CS101)的测试有作用，还对辐射发射(RE102)、电缆束注入传导敏感度和静电放电的测试也有作用，因为通过试验已证明电源线及各种输入输出引线产生的辐射远高于线路板本身的辐射及机壳机箱屏蔽不完整所产生的辐射，设备引线是主要的辐射源同时又是敏感度很高的接收器，在EMC测试中辐射敏感度、电缆束注入敏感度、静电放电等测试会在电源线上产生共模电压，当共模电压转变为差模电压时，就会对电路产生影响。
EMI滤波器主要用来滤除导线上的电磁干扰，由于电磁干扰的频率范围很宽，一般从几十kHz到几百MHz,因此滤波器的有效滤波频率要覆盖这么宽的范围。由于DC-DC变换器的主要干扰源是由开关频率产生的高次谐波，以及高频电磁波更容易接收而对设备造成干扰，因此这些干扰均以高频为主，所以EMI滤波器采用低通滤波器。
低通滤波器的电路形式有多种。滤波器的选择主要取决于要抑制的干扰频率与工作频率之间的差别和滤波器所接电路的阻抗。但是实际电路的阻抗很难估算，特别是在高频时，由于电路受杂散参数的影响，电路的阻抗变化很大，而且电路阻抗在不同的频率上也不一样。因此，在实际电路中，哪一种滤波器更有效，主要靠试验的结果确定。
我们在DC-DC变换器中设计的EMI滤波器电路如图10、图11。图10中的C1、C2和图11中的C4、C5是滤除共模干扰用的Y电容（跨接在正线和回线与机壳之间，对共模电流起旁路作用，共模滤波电容一般取10000pF以下）。同时，将输入、输出端正线和回线同向共磁芯绕制成共模电感L1，抑制共模噪声干扰。另外，为了获得良好的滤波效果，要求X和Y电容的引线必须尽可能短。
4.4 印制电路板（PCB）的EMC设计
(1) 印制线设计考虑因素
由于DC-DC变换器中包含有很多高频信号，PCB上的任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响到其阻抗和感抗，从而会影响到频率响应。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度决定着印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接受电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽。
(2) 电路布局及接地设计
PCB设计中电路布局直接影响电磁干扰和抗干扰度特性。每一个DC-DC变换器都有4个电流回路：输入电流回路、开关交流回路、输出整流交流回路、输出负载电流回路，各回路之间应保持相对独立。输入电流回路和输出负载电流回路通常不会产生电磁干扰，这些回路中的电流波形为大的直流电流和小的交流电流的叠加。开关和整流交流回路包含高幅度的梯形电流波形，这些波形中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，这些交流电流的峰值幅度可高达输入、输出直流电流幅度的数倍，这两个回路最容易产生电磁干扰。设计时首先对这些回路进行布局，每个回路的主要元器件（滤波电容、开关管、整流管、功率变压器、电感）应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。
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