第一節(jié) 產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

對MCM功率電源而言，由于其工作在幾百kHz的高頻開關(guān)狀態(tài)，故易成為干擾源。從國外同類公司的報(bào)告及實(shí)際措施來看，解決DC/DC變換器電磁干擾主要就是滿足10kHz～10MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射（即國軍標(biāo)GJB151A-97中CE102）的要求。解決的關(guān)鍵技術(shù)：

1、電路的設(shè)計(jì)技術(shù)

通過EDA仿真，利用可靠性優(yōu)化和可靠性簡化技術(shù)設(shè)計(jì)電路參數(shù)，著重解決如下問題。

1）線路的自激振蕩：合理地選擇消振網(wǎng)絡(luò)，消除DC/DC變換器的R、L、C參數(shù)選取的不合理性引起的振蕩，減小EMI的電平。DC/DC電源由于工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，很容易形成高頻自激，有時反應(yīng)為帶滿載時正常帶輕載時自激，有時反映為常溫時正常高溫或低溫時自激，因此元器件的選取、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用顯得尤為重要。

2）紋波與噪聲的有效抑制：抑制的方法大致可以歸結(jié)為二類，即降低本身的紋波與噪聲和設(shè)計(jì)濾波電路。

為了抑制外來的高頻干擾，也為了抑制DC/DC變換器對外傳導(dǎo)干擾，通過在DC/DC變換器的輸入端、輸出端設(shè)計(jì)濾波電路，抑制共模、差模干擾，降低EMI電平。其中，C1、C2、C3為差模濾波電容，C4、C5為共模濾波電容，L1為共模扼流圈，L2為差模濾波電感。

為了減少DC/DC變換器通過輸入、輸出端傳導(dǎo)EMI，除了在輸入、輸出端采取LC濾波外，還在電源的輸入地到金屬外殼之間、輸出地到金屬外殼之間增加高頻濾波電容，以減少共模干擾的產(chǎn)生。但此處要注意電容耐壓要大于500V，以滿足產(chǎn)品隔離電壓的要求。

2、抑制干擾源技術(shù)

DC/DC變換器的主要干擾源有高頻變壓器、功率開關(guān)管及整流二極管，為此逐一地采取措施。

1）高頻變壓器

在開關(guān)電源中，變壓器在電路中起到電壓變換、隔離及能量轉(zhuǎn)化作用，其工作在高頻狀態(tài)，初、次級將產(chǎn)生噪聲并形成電磁干擾EMI。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，高頻變壓器漏感會產(chǎn)生反電動勢E=-Ldi/dt，其值與集電極的電流變化率（di/dt）成正比，與漏感量成正比，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰，從而形成傳導(dǎo)性電磁干擾。變壓器在開關(guān)電源中是用來隔離和變壓的，但在高頻的情況下它的隔離是不完全的，變壓器層間的分布電容使開關(guān)電源中的高頻噪聲很容易在初次級之間傳遞。此外，變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通道，從而使變壓器周圍產(chǎn)生的電磁波更容易在其他引線上耦合形成噪聲。因此，在設(shè)計(jì)中采取了以下措施。

為減小變壓器漏感的影響，采用初、次級交叉繞制的方法，并使其緊密耦合。

盡可能采用罐型磁芯。由于罐型磁芯可以把所有的線圈繞組封在磁芯里面，因此具有良好的自我屏蔽作用，可以有效地減少EMI。

為吸收上升沿和下降沿產(chǎn)生的過沖，并有可能造成的自激振蕩，在初、次級電路中增加R、C吸收網(wǎng)絡(luò)，以減少尖峰干擾。在調(diào)試時須仔細(xì)調(diào)整R、C的參數(shù)，確保電阻R1的值在30～200Ω，電容C1的值在100～1000P之間，以免影響變壓器的效率。

2）功率開關(guān)管

由于功率管工作于高頻通斷開關(guān)狀態(tài)，將產(chǎn)生電磁干擾EMI。當(dāng)開關(guān)管流過大的脈沖電流時，大體上形成了矩形波，含有許多高頻成分。由于開關(guān)電源使用的元件參數(shù)（如開關(guān)管的存儲時間、輸出級的大電流、開關(guān)整流管的反向恢復(fù)時間）均會造成回路瞬間短路，產(chǎn)生很大短路電流。凡有短路電流的導(dǎo)線及這種脈沖電流流經(jīng)的變壓器和電感產(chǎn)生的電磁場都可形成噪聲源。開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器，在開關(guān)管導(dǎo)通的瞬間，變壓器初級出現(xiàn)很大的涌流，造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實(shí)際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關(guān)管。因此，須采取以下措施。

優(yōu)化功率管的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。通過緩沖電路，可以延緩功率開關(guān)管的通斷過程。

采用R、C吸收電路，從而在維持電路性能不變的同時，降低其電磁干擾的EMI電平。

3）整流二極管

整流二極管在關(guān)斷期，由于反向恢復(fù)時間會引起尖峰干擾。為減少這種電磁干擾，必須選用具有軟恢復(fù)特性的、反向恢復(fù)電流小的、反向恢復(fù)時間短的二極管。肖特基勢壘二極管是多數(shù)載流子導(dǎo)流，不存在少子的存儲與復(fù)合效應(yīng)，因而也就會產(chǎn)生很小的電壓尖峰干擾，故采取以下措施。

采用R1、C1組成旁路吸收網(wǎng)絡(luò)。

采用多個肖特基并聯(lián)分擔(dān)負(fù)載電流，有效地抑制整流二極管形成的EMI電平。

3、產(chǎn)品平面轉(zhuǎn)化時EMC設(shè)計(jì)技術(shù)

影響產(chǎn)品EMC的方面很多。除了在線路上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)外，如何在基片有限的空間內(nèi)合理的安排元器件的位置以及導(dǎo)帶的布線，也將直接影響到電路中各元器件自身的抗干擾性和產(chǎn)品的電磁兼容性EMC指標(biāo)。

1）平面轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)規(guī)范

對于電源內(nèi)部高頻開關(guān)器件，如功率VMOS管、高頻變壓器、整流管等，應(yīng)盡可能地減少其電路電流的環(huán)路面積，且不要與其他導(dǎo)帶長距離平行分布。

電源的輸入正端和地線應(yīng)盡可能地靠近，以減小差模輻射的環(huán)路面積。

設(shè)計(jì)布線時走線盡量少拐彎，拐彎處一般取圓弧形，因?yàn)橹苯腔驃A角會產(chǎn)生電流突變，產(chǎn)生EMI干擾。導(dǎo)帶上的線寬不要突變，無尖刺毛邊。

導(dǎo)帶印制時應(yīng)盡量采用高目數(shù)的印制網(wǎng)，以便使線電流達(dá)到均衡。應(yīng)選用電流噪聲系數(shù)較小、性能穩(wěn)定性較好的電阻漿料和導(dǎo)帶漿料，保證不會因?yàn)楣に噮?shù)的因數(shù)帶來新的干擾。

盡可能地加粗地線，若地線過細(xì)，接地電位則隨電流的變化而變化，致使電路的信號電平不穩(wěn)，抗噪聲性能變壞。

2）采用金屬全密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝

屏蔽有兩個目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量泄漏出，二是防止外來輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部區(qū)域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量進(jìn)行反射、吸收和引導(dǎo)。為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射，電磁騷擾對其他電子設(shè)備的影響，可完全按照對磁場屏蔽的方法來加工金屬外殼，然后將金屬外殼與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對電磁場進(jìn)行有效的屏蔽。

4、地線設(shè)計(jì)技術(shù)

為降低接地阻抗，消除分布電容的影響而采取平面式或多點(diǎn)接地，利用一個導(dǎo)電平面作為參考地，需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進(jìn)一步減小接地回路的壓降，可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統(tǒng)中，還應(yīng)分別將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨(dú)連接后，再連接到公共參考點(diǎn)上，如果有可能最好設(shè)計(jì)地線層。

第二節(jié) 產(chǎn)品工藝特點(diǎn)或流程

電力電子裝置處理高電壓大容量等級的技術(shù)方案主要有以下幾種：

1、采用高容量等級的開關(guān)器件或者器件的串并聯(lián)；

2、采用級聯(lián)的多電平變換器技術(shù)。

無論采用哪種技術(shù)，串接在一個橋臂或級聯(lián)的H橋臂之間的功率管的驅(qū)動電源之間都承受了極高的電壓。為了保證裝置的可靠性，必須確保各路驅(qū)動電源之間有良好的高壓隔離特性。另外，由于處理高壓等級的時候，所使用的開關(guān)管一般比較多，因此，獨(dú)立隔離驅(qū)動直流電源的數(shù)目比較大。

常規(guī)的多路直流輸出技術(shù)都是基于直流母線分布式電源系統(tǒng)，其中的DC/DC變換器數(shù)目多、體積大，而且，當(dāng)各DC/DC變換器的開關(guān)頻率不同的時候，還會發(fā)生拍頻干擾，從而使得輸出電壓出現(xiàn)各頻率紋波。常規(guī)的高壓隔離技術(shù)必須要設(shè)計(jì)出耐高壓的隔離變壓器，高壓隔離的要求給工藝和結(jié)構(gòu)上都帶來很大困難，而且成本也隨之增加。

第三節(jié) 國內(nèi)外技術(shù)未來發(fā)展趨勢 分析

進(jìn)入21世紀(jì)，我國工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、電力電子、電子電源、通信、材料等 行業(yè) ，還應(yīng)協(xié)同開發(fā)下述和通信開關(guān)電源相關(guān)的產(chǎn)品和技術(shù)。

1、探索研制耐高溫的高性能碳化硅(SiC)功率半導(dǎo)體器件

タ梢栽ぜ，碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器材料，碳化硅的優(yōu)點(diǎn)是：禁帶寬、工作溫度高(可達(dá)600℃)、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高，等等。

2、平面磁心及平面變壓器技術(shù)

テ矯媧判(Planarcore)的開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)超薄型(Lowprofile)變壓器和超薄型開關(guān)變換器。適用于便攜式(Portable)電子設(shè)備電源及板上(On-board)電源。由于其結(jié)構(gòu)呈寬扁形，散熱面積大，更適合于高頻變壓器。

テ矯姹溲蠱饕求磁心、繞組，銅箔繞組等。據(jù)報(bào)道，國外已有多家公司開發(fā)了平面變壓器。提箱內(nèi)可放總功率達(dá)幾十kW、十幾種平面變壓器。效率97-99％；工作頻率50/Payton公司制造的5W-20kW變壓器，其體積及功率密度僅為傳統(tǒng)高頻變壓器的20％，一個手提箱內(nèi)可放總功率達(dá)幾十kW、十幾種平面變壓器。效率97-99％；工作頻率50kHz-2MHz；漏感＜0.2％；EMI小。

3、集成高頻磁元件技術(shù)及陣列式(Matrix)磁元件技術(shù)

將多個磁元件(如多個電感，變壓器和電感)集成在一個磁心上。可以減少變換器體積，降低磁元件損耗。國外已有集成磁元件變換器(IntegratedMagneticsConverter)的報(bào)道：50W輸出、5V及15V兩路、100kHz，DC-DC正激變換器，變壓器和輸出濾波電感在一個磁心上實(shí)現(xiàn)，簡稱IM變換器。

フ罅惺醬旁件技術(shù)是將電路中磁元件離散化，形成分布式陣列布置，或形成“磁結(jié)構(gòu)層”，使磁結(jié)構(gòu)與電路板或其他器件緊密配合，集成化。

4、磁電混合集成技術(shù)

グ括磁心與晶體管硅片集成、利用電感箔式繞組層間分布電容實(shí)現(xiàn)磁元件與電容混合集成等。

5、新型電容器。

研究 開發(fā)適合于能源和功率系統(tǒng)用的新型電容器，要求電容量大、等效串聯(lián)電阻(ESR)小、體積小等。據(jù)報(bào)道，美國南卡羅里那州KEMET電子公司在90年代末，已開發(fā)出330μF新型固體(SolidTantalum)電容，其ESR從原來的500mΩ降到30mΩ。

6、S4功率因數(shù)校正(PFCorrected)AC-DC開關(guān)變換技術(shù)

ヒ話愀吖β室蚴鼳C-DC開關(guān)電源，要用兩個電力電子電路串級(Cascade)運(yùn)行，在DC-DC開關(guān)變換器前加一級前置功率因數(shù)校正器。對于小功率PWM開關(guān)電源，至少需要兩個主開關(guān)管和兩套控制驅(qū)動電路，總體效率低、成本高。

ビ靡患禔C-DC開關(guān)變換器實(shí)現(xiàn)小功率穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源，并使輸入端功率因數(shù)(PF)校正到0.8以上，稱為單管單級(SingleSwitchStage)，簡稱S4功率因數(shù)校正(PFCorrected)AC-DC開關(guān)變換器。例如，前置功率因數(shù)校正用DCM運(yùn)行的DCM運(yùn)行；兩級電路合用一個主開關(guān)管，因?yàn)榉醇る娐酚懈綦x變換器，故稱S4功率因數(shù)校正隔離式AC-DC開關(guān)變換器。當(dāng)然，如果加有源鉗位或其他軟開關(guān)技術(shù)，還需要一個輔助開關(guān)管，稱為單級(SingleStage-S2)有隔離正軟開關(guān)電源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；效率86.5％，功率因數(shù)0.98，THD13％，開關(guān)頻率150kHz，輸入155VAC，輸出28V，80W。

7、輸出1V/50A的低電壓大電流DC-DC變換器

ノ適應(yīng)下一代快速微處理器、可攜帶式通訊設(shè)備、服務(wù)器(Server)等供電的需求，要求開發(fā)低輸出電壓、大電流DC-DC開關(guān)變換器，或稱電壓調(diào)節(jié)器模塊VRM(VoltageRegulatorModule)。其輸出電壓為1.1-1.8V，輸出電流達(dá)50-100A，電流轉(zhuǎn)換速率達(dá)5A/ns。

由于電路有高頻寄生參數(shù)，當(dāng)電流大幅度變化時，引起輸出電壓擾動。為防止這種擾動，過去采用增大輸出濾波電容、電感的方法，但缺點(diǎn)甚多。國外開發(fā)了用多輸入通道(MultiChannel)或多相(Multi-Phase)DC-DC變換器作為服務(wù)器的電源。輸出采用波形交錯疊加(Interleaving)方案，保證VRM輸出紋波小，改善輸出瞬態(tài)響應(yīng)，并減少輸出濾波電感和電容。

ハ鹵砦減小VRM輸出紋波的兩種方案比較：

為減小VRM輸出紋波的兩種方案比較

8、通信開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、測試技術(shù)

主要是電源熱設(shè)計(jì)及測試，EMI設(shè)計(jì)及測試，可靠性設(shè)計(jì)及測試等技術(shù)的開發(fā)、 研究 與應(yīng)用。

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