在军用级应用中将多个 DC-DC 转换器连接到同一总线

盖亚转换器技术博客

DC-DC 开关电源有效传导发射滤波器设计的重要技巧

在军用级 DC-DC 开关电源中并联 DC-DC 转换器可能具有挑战性。这就是基于分阶段同步方法的有效传导发射滤波器设计可以提供帮助的地方。在这里，我们了解如何设计符合电磁兼容性 (EMC) 标准的 DC-DC 开关电源，从而减少传导和辐射发射。

共模 EMI 与差模 EMI

开关噪声，也称为反射输入电流或传导和辐射发射，是一种电磁干扰（EMI）。在大多数情况下，该噪声电流是由使用高效率的DC-DC开关电源代替线性DC-DC电源。在军用电源转换器应用中，需要遵守严格的开关噪声限制。

噪声可以作为差模或共模电流沿着输入和输出线传导，从而产生电磁辐射。如果输入差模传导噪声较低，则来自输入线的辐射噪声也将受到限制。因此，输入DM噪声的衰减至关重要。表 1 中列出的军用标准定义了频率范围内的噪声电流（dBμA）或电压（dBμV）到 50 欧姆的限制。


表 1：军用传导噪声电流限值示例

传导发射滤波器设计：关键考虑因素

DC-DC 开关电源产生的传导噪声发射水平取决于所使用的 DC-DC 转换器的类型。例如，常见的非隔离降压或隔离正向转换器的开关总是具有不连续的输入电流，由输入电容器平均，而升压电路可以在连续导通模式下工作，这更容易在其输入上进行滤波。

LC 低通滤波器是过滤单个转换器输入差模噪声的最有效方法。传导发射滤波器设计应具有最小尺寸和低电阻损耗。但同时，它必须具有足够的衰减以满足排放标准。过大的部件可能会产生低频自谐振，甚至会放大噪声。在任何情况下，滤波器都应该被阻尼以避免振铃并满足“Middlebrook 标准”以避免转换器不稳定 。在某些情况下，可能需要添加额外的 RC 阻尼网络，尽管通常由滤波电容器的 ESR 来执行该功能。

相同步：并联 DC-DC 转换器的关键

并联 DC-DC 转换器输入可能很复杂。即使转换器名义上以相同的频率进行开关，它们的开关转换相位也会不同，并且它们与温度和时间的关系会发生漂移。这会导致基波和谐波噪声响应在不确定的时间尺度上增加或抵消。例如，如果转换器简单地与所有开关导通转换一起同步，则保证基本响应相加，从而使必要的滤波器更大。

更好的解决方案是同步转换器，但彼此之间存在相位延迟。如果同步脉冲之间的基本开关频率存在 π 弧度的延迟，则会发生抵消。对于仅两个转换器，可以通过同步信号的简单逻辑反转来实现延迟。对于更多转换器，延迟是成比例的（参见表 2）。


表 2：用于消除基本噪声的多个并联 DC-DC 转换器的同步延迟值

分阶段同步的好处

如图所示图2，四个转换器的同步波形可以在略高于 330kHz 的基波响应上实现约 20dB 的改进。完全取消是不可能的，因为单独的 DC-DC 根据其负载将具有不同的基本电平。类似地，较高的谐波水平取决于每个转换器的负载、拓扑和占空比，因此消除程度（如果有的话）可能会较小。事实上，如果四个转换器相同且负载相同（如输出并联时可能出现的情况），则四次谐波将会相加。这是因为将基波相位偏移 π/2 相当于将第四谐波偏移 2π 或一个完整周期，因此会发生求和。实际上，在较高频率下滤波更容易，因为对于与基波相同的衰减，每个 L 和 C 值都可以减少 4 倍。


图 1：四个具有相位延迟同步功能的 DC-DC 的排列


图 2：图 1 电路的 EMI 特征在开关频率下改善了约 20dBμV。绿色是没有同步，蓝色是有同步

GAIA Converter 设计了一个参考板，展示了分阶段同步的优点。该板上最多可容纳 6 个 DC-DC、1 个总线调节器和 1 个滤波器，额定输出功率总计高达 120W。该板符合 MIL-STD-704、DO160、MIL-STD-461 和 MIL-STD-1275 标准，具有 12A 额定 EMI 滤波器，采用微型 1” x 1.2” 薄型封装。


图 7：GAIA 转换器EMI 性能图

该参考板展示了一系列 GAIA DC-DC 转换器，具有负载共享和宽调整范围等功能。尽管七个转换器独立运行，但所包含的相位同步功能使传导输入发射比军用标准 CE-102 规定的限制低 20dB。

参考
        R. D. Middlebrook，“开关稳压器设计和应用中的输入滤波器注意事项”，Proc. 1976 年 IEEE IAS 年会，第 366-382 页。