小功率DCDC模塊隔離阻抗分析要點(diǎn)

1、1小功率DC/DC模塊隔離阻抗分析景艷紅 陸壽茂航天科技集團(tuán)公司一院一部二00二年六月二十八日1小功率DC/DC模塊隔離阻抗分析景艷紅 陸壽茂（航天科技集團(tuán)公司一院一部 北京 100076）文 摘 從DC/DC功能引出隔離阻抗概念，進(jìn)而介紹隔離阻抗的內(nèi)涵及阻抗三角形分析方法。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證理論分析的合理性，指明提高隔離阻抗是增強(qiáng)DC/DC模塊共模抑制能力的主要途徑，減小分布電容是最有效的措施。主題詞 DC/DC變換 隔離阻抗 分布電容 電磁兼容直流-直流電源變換器（DC/DC）分為隔離型與非隔離型兩類(lèi)。它們各有所長(zhǎng)，用途廣闊。遙測(cè)系統(tǒng)箭上設(shè)備出于抗干擾（EMI ）需求，主要選用隔離型DC/DC電

2、源。隔離方式以電磁效應(yīng)為主，即采用變壓器實(shí)現(xiàn)電壓變換、初次級(jí)隔離及電磁兼容的功能。此處隔離亦稱絕緣。初次級(jí)隔離實(shí)為初級(jí)“地”與次級(jí)“地”的隔離，以保護(hù)人身與設(shè)備的安全，同時(shí)抑制電磁干擾的傳播。為適應(yīng)分布式供電，DC/DC模塊應(yīng)運(yùn)而生。隨著電子技術(shù)的發(fā)展和小型化的推動(dòng)，10W 以下的小功率DC/DC模塊得以普及并逐步形成系列化和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。我部外委研制的3W 級(jí)DC/DC模塊已完成初樣測(cè)試。其中隔離阻抗作為一項(xiàng)正式技術(shù)指標(biāo)，首次寫(xiě)入研制合同。本文特對(duì)隔離阻抗的內(nèi)涵、工程意義及測(cè)試方法進(jìn)行研究分析。1. 從絕緣電阻到隔離阻抗的跨越以往多用絕緣電阻衡量電路絕緣（或隔離）性能。其本質(zhì)是反映泄漏電流的大

3、小。這在直流或低頻條件下是可行的。隨著自動(dòng)化、智能化及信息技術(shù)的發(fā)展，箭上電氣系統(tǒng)趨于復(fù)雜，頻帶展寬，從而引出電磁兼容(EMC問(wèn)題。抑制電磁干擾的一項(xiàng)有效措施是采用漂浮電源，即用對(duì)地絕緣的DC/DC電源。它切斷“地”回路，極大地衰減共模干擾，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)工作的安全性及可靠性。表征DC/DC電源隔離性能的重要指標(biāo)是隔離阻抗，而非絕緣電阻。這是一步跨越。它表明DC/DC抑制干擾能力的增強(qiáng)及認(rèn)識(shí)水平的提升。為介紹干擾情況，以系統(tǒng)電源直接接地為例, 圖1是其原理框圖。系統(tǒng)1、2分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電，且直接接地。兩地相距較遠(yuǎn)。兩個(gè)地電位差構(gòu)成系統(tǒng)的共模（CM ）噪聲電壓nc e 。nc e

4、進(jìn)入系統(tǒng)1、2中，形成干擾。其后果視條件而變，嚴(yán)重時(shí)可能破壞系統(tǒng)正常運(yùn)行。這是大家不愿見(jiàn)到的結(jié)局。 圖1 系統(tǒng)電源直接接地在長(zhǎng)期實(shí)踐中，人們總結(jié)出對(duì)付干擾的三大措施，即抑制干擾源、抑制干擾傳輸及提高自身抗干擾能力1。抑制干擾源效果最佳，可惜常常難以實(shí)現(xiàn)。抑制干擾傳輸?shù)霓k法較多，除屏蔽、濾波等措施外， 采用漂浮電源，讓系統(tǒng)對(duì)地“浮”起來(lái)，亦為立桿見(jiàn)影之舉?；舅悸肥窃诟蓴_（nc e ）進(jìn)入系統(tǒng)的路徑上增大阻抗，削弱其對(duì)系統(tǒng)的危害力度。為了分析簡(jiǎn)便，將圖1中的系統(tǒng)1設(shè)定為信號(hào)發(fā)送端，系統(tǒng)2設(shè)定為接收端，其等效電路如圖2(a2所示。圖中s e 為信號(hào)電壓；i Z 為部分等效內(nèi)阻抗，包括傳輸線阻抗在內(nèi)

5、；L Z 為等效負(fù)載阻抗。噪聲nc e 對(duì)系統(tǒng)2負(fù)載Z L 形成的干擾電壓2n U 為2LLnc n i Z U Z Z e =+ （1） 圖2 直接接地(a及浮地(b供電的等效電路當(dāng)L iZ Z 時(shí)，2n nc U e 。干擾直接進(jìn)入系統(tǒng)1、2，顯然不合理！改進(jìn)措施如圖2(b所示：兩個(gè)系統(tǒng)均用浮地電源，在接地路徑上設(shè)置隔離阻抗1Z 和2Z 。這時(shí)系統(tǒng)2負(fù)載上的干擾電壓2n U '為212L i Lnnc Z ZU Z Z Z Z Z e '=+ （2）式中(/i L i Z Z Z Z =+。若iL Z Z ，則i Z Z 。式（2）變?yōu)?12i Li i Lnc n Z Z

6、 U Z Z Z Z Z e '=+ （3）通常12i Z Z Z 、，式（3）簡(jiǎn)化為/2212i Li Ln n nc Z Z U U Z Z Z Z e =<<+ （4）由于(12/+1i Z Z Z ，故22n n U U '。這一結(jié)論，充分表達(dá)了隔離電源對(duì)共模干擾的巨大抑制能力。正是這種凸顯的優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)致DC/DC在各個(gè)層面（包括系統(tǒng)、分系統(tǒng)、整機(jī)及單板等）獲得廣泛應(yīng)用。圖3展示用兩塊DC/DC模塊為系統(tǒng)1、2分別供電的原理框圖。圖中1R 、1C 及2R 、2C 分別代表兩塊DC/DC的隔離電阻及電容。圖中未畫(huà)電感不是疏忽。由于共模干擾頻帶涉及高、中、低頻段，

7、高頻幅值較小；中、低頻幅值較大，是主要成分。分布電感在中頻以下感抗較小；而分布電容相對(duì)突出，對(duì)絕緣電阻起旁路作用。兩塊DC/DC等效隔離阻抗為111/IS C Z R X = （5）222/IS C Z R X = （6）或者寫(xiě)成通式： /IS IS IS Z R X = （7）通過(guò)一個(gè)實(shí)例，分析容抗對(duì)隔離阻抗的影響。實(shí)測(cè)100IS R M 。設(shè)100p IS C F =, 容抗(1ISCIS X C j -=，其模為(9111.6102IS IS CISC C X f f= （8）3 圖3 系統(tǒng)由DC/DC供電，對(duì)地形成漂浮表1列出容抗隨干擾頻率f 變化的關(guān)系。2f kHz 時(shí)，容抗不足M

8、1，對(duì)絕緣電阻形成嚴(yán)重旁路。這時(shí)，隔離阻抗主要取決于分布(隔離 電容。由式(7不難導(dǎo)得相同的結(jié)果: 當(dāng)ISCIS R X 時(shí)，隔離阻抗為：IS IS Z X （9）表1 100pF容抗 X 與頻率f 關(guān)系從關(guān)注絕緣電阻轉(zhuǎn)移到關(guān)注分布（隔離）電容，不僅是理念上的升華及拓展，更具有工程實(shí)踐意義。首先明確絕緣阻抗（包含電阻和電容）應(yīng)成為DC/DC的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。這是制約DC/DC設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測(cè)試的一項(xiàng)基本要求。具體講，變壓器初次級(jí)間雜散電容宜小不宜大；不可在初次級(jí)間以及初次級(jí)對(duì)殼體間隨意跨接固定電容；開(kāi)關(guān)管與模塊殼體間的分布電容與傳熱設(shè)計(jì)這一對(duì)矛盾要妥善解決，等等。如何獲取隔離阻抗？須從分析阻抗

9、三角形開(kāi)始。2. 隔離阻抗等效三角形（）實(shí)際運(yùn)行中的隔離型DC/DC模塊的外殼（或屏蔽層S ）通常接地，以抑制內(nèi)部噪聲外泄及外部噪聲n E 入侵，如圖4所示。這是一塊輸出15V ±的模塊。它以“O ”端為“輸出地”；輸入28V 的“-”端為“輸入地”；加上“屏蔽地”，共有三個(gè)“地”。三點(diǎn)構(gòu)成三角形（），如圖5(a所示。若以隔離電容取代隔離阻抗，便可簡(jiǎn)化為圖5(b。圖5中( i j i j Z C i =12j =23j i 及、，、， 是實(shí)際存在參數(shù)。而由外部測(cè)量 V+0V-圖4 隔離阻抗的等效電路圖儀表測(cè)得的阻抗m i jZ 及電容m ijC 則是它們綜合效應(yīng)，如圖6所示。圖5與圖

10、6中相應(yīng)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系如式（10）和式（11）所示。 433(a(b m m (a(b圖5 真實(shí)隔離阻抗(a及隔離電容(b等效 圖6 實(shí)測(cè)隔離阻抗(a及隔離電容(b等效(12132332312133131223/m 12m2m 1Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z =+=+=+（10） m 132312121323m121323231213m122313131223C C C C C C C C C C C C C C C C C C =+=+=+（11）要從實(shí)測(cè)m mi j ijZ C 及導(dǎo)出真實(shí)i j i j Z C 及比較繁瑣。為簡(jiǎn)化演算，采用局部短接法實(shí)測(cè)電容可收明顯效果。

11、S121223S232313S 1313123-1-2-3C C C C C C C C C =+=+=+短接端：短接1端：短接2端：（12） 由式（12）能夠方便地分離出真實(shí)隔離電容：121213232323121313132312( /2( /2( /2S S S S S SS S SC C C C C C C C C C C C =+-=+-=+-（13）等效三角形說(shuō)明阻抗間的關(guān)聯(lián)性。工程上要求i j i j Z C 及的三個(gè)值彼此接近，不宜差異過(guò)大。3. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論與實(shí)踐表明，共模干擾是箭上遙測(cè)設(shè)備的主要干擾模式。人們自然關(guān)心隔離型DC/DC模塊對(duì)共模干擾的抑制能力怎樣？共模抑制（C

12、MR ）與隔離阻抗的關(guān)系如何？下面通過(guò)新近研制的3W 級(jí)±15V 初樣進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)電路示于圖7，外殼接地。外部共模噪聲nc e 加在輸入端。通過(guò)外接電容ex C 模擬初次級(jí)隔離電容的變化。P R 為保護(hù)電阻，只在高壓(100V 時(shí)用到。Cex + 28V _ Rp DC/DC 1 S 3 2 + U nc U0 nc - U nc V+ 0 VRL * enc 圖7 隔離型 DC/DC 模塊共模干擾實(shí)驗(yàn)圖 借助隔離阻抗三角形方法畫(huà)出圖 7 的等效電路（見(jiàn)圖 8） 。圖中 Z L 代表“2”端（輸出端）測(cè)試儀表 的等效負(fù)載阻抗（ RL、CL ） 。 en

13、c 是以屏蔽外殼為參考的共模噪聲輸入電壓； Unc 是輸出共模電壓，其表 達(dá)式為 U nc = Ze Z12 + Z e enc = K enc （14） 式中系數(shù) K = Ze / ( Z12 + Ze = Unc / enc ；等效阻抗 Ze = Z23 / / Z L 。式（14）中的共模電壓傳遞系數(shù) K 只與 阻抗（隔離阻抗及負(fù)載阻抗）有關(guān)。而阻抗中的容抗與頻率有關(guān)。當(dāng)干擾頻率較高時(shí)，可用容抗取代阻 抗（見(jiàn)圖 9） 。這時(shí) K 值與頻率無(wú)關(guān)，即 K= C12 C12 + C23 + CL （15） 由于信號(hào)源內(nèi)阻很小，可以略去，故三角形的 Z13 （或 C13 ）不影響傳遞系數(shù)的變化。

14、 1 Z12 2 Unc 1 C12 2 Unc CL * Z13 Z23 3 RL C13 * C23 3 enc 圖8 enc 圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試等效電路 容抗取代阻抗的等效電路 S S S 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的部分短接測(cè)量，測(cè)得 C12 = 49 pF ， C13 = 50 pF 。由式 (13導(dǎo)出真實(shí)分 = 42pF ， C23 布電容為 C12 = 21.5 pF ， C23 = 20.5 pF ， C13 = 28.5 pF , 。同時(shí)測(cè)得測(cè)量?jī)x表的等效電容 CL1 = 160 pF ；線路 板引線等效電容 CL2 = 15 pF ； 考慮外接電容 Cex 的存在， 用 C12 CL =

15、CL1 + CL2 = 175 pF 。 ¢ = C12 + Cex 取代 C12 ， 代入式（15）得 K ¢ = C12 ¢ / (C12 ¢ + C23 + CL （16） 用正弦信號(hào)發(fā)生器作共模噪聲源，enc = 5V (rms = const . ， 頻率 f = 20 20000Hz 。 改變外接電容 Cex ， 標(biāo)稱值分別取 0、 100pF、 300pF 及 1100pF。 測(cè)量結(jié)果列于表 2,并在圖 10 上展示相應(yīng)的幅頻特性 ( Unc - f 曲線。 在低頻段曲線單調(diào)上升； 隨著頻率增加， 曲線趨于水平線， 輸出不隨頻率變化。 這就

16、驗(yàn)證了式 （ 16） 的關(guān)系，即容抗起主要作用。相關(guān)系數(shù)列于表 3。其中 K1¢ (實(shí)) 為實(shí)測(cè)共模傳遞系數(shù)； K2 ¢ (理) 為按式（16） 導(dǎo)得的傳遞系數(shù)，兩者接近，表示理論模型的合理性。 5 表 2 外接電容 Cex 對(duì)傳遞系數(shù)幅頻特性影響的測(cè)試數(shù)據(jù)表（ enc = 5V ） U nc f (V ( Hz Cex (pF 0.00 100(93 * 300(306 1100(1119 20 0.03 0.08 0.20 0.68 60 0.06 0.23 0.58 1.83 110 0.10 0.33 0.97 2.63 210 0.17 0.64 1.62 3.5

17、8 500 0.33 1.27 2.64 4.02 1K 0.45 1.59 2.90 4.18 2K 0.53 1.73 3.11 4.23 5K 0.55 1.78 3.12 4.26 10K 0.56 1.78 3.13 4.26 20K 0.56 1.78 3.12 4.26 * 注：括弧中數(shù)據(jù)代表實(shí)測(cè)電容值。 Unc(V 5 11 00 PF F F 30 0P 1 10 0P 0.5 P =0 C ex F enc=5V=const. 0.1 0.05 f(Hz 0.03 20 50 100 500 1k 5k 10k 20k 圖 10 不同外接電容 ( Cex 對(duì)應(yīng)的幅頻特性(

18、Unc - f 曲線 表 3 高頻下隔離電容對(duì)共模傳遞系數(shù)的影響（ enc = 5V ） Cex(pF 0.00 0.56 0.112 0.099 93.0 1.78 0.356 0.369 306 3.12 0.624 0.625 1119 4.26 0.852 0.854 U nc(V K2 ¢ (理) K1¢ (實(shí)) 在地面測(cè)試中，遙測(cè)系統(tǒng)難以避開(kāi) 50Hz 工頻干擾。通常用共模抑制（ CMR）及共模抑制比（ CMRR） 評(píng)估研究對(duì)象對(duì)工頻干擾的抑制能力。實(shí)驗(yàn)按圖 7 連接。由自耦變壓器產(chǎn)生可變電壓 enc ；改變外接電容 Cex ，獲得數(shù)組數(shù)據(jù)，導(dǎo)出相應(yīng)回歸直線方程

19、，列于表 4?；貧w直線的截距不為零是由高低頻干擾（主要 指電源模塊紋波及工頻噪聲）引起。令人感興趣的是直線的斜率。它反映共模傳遞系數(shù)隨外接電容的增 大而提高。這在圖 10 的一組曲線中有所體現(xiàn)（虛線對(duì)應(yīng)工頻的 U nc 隨 Cex 的增大而增加） 。定義共模抑 制(CMR 為： 4 CMR = - 20 l g K (17 式中 K 由式（14）定義，它是隔離阻抗的函數(shù)。表 4 回歸方程的斜率正是 K 的實(shí)測(cè)值。它們對(duì)應(yīng)的 CMR 示于表 5。 無(wú)外接電容時(shí)， DC/DC 內(nèi)部高的隔阻抗對(duì)共模干擾產(chǎn)生 40dB 以上的抑制。 外接電容增至 100PF 時(shí)，抑制能力降到 30dB 以下。可見(jiàn),設(shè)

20、法提高 DC/DC 內(nèi)部的隔離阻抗（主要是減小隔離電容）是增強(qiáng)共 模抑制能力的主要途徑。 6 表4 工頻干擾實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) 回歸直線方程 Unc = 1.11 + 0.0085 enc Unc = 1.14 + 0.0375enc 表5 CMR 隨 Cex 變化的測(cè)試數(shù)據(jù) K 0.0085 0.0375 0.101 0.322 CMR(dB 41.4 28.5 19.9 9.8 enc (V 0220 Cex (pF 0 100 Cex (pF 0 100 300 1100 060 300 1100 Unc = 1.13 + 0.101enc Unc = 1.02 + 0.322 enc 在 DC/

21、DC 電源輸出端有三條引線（ V+、0、V-） 。它們面對(duì)同一共模電壓，故選擇一點(diǎn)，只測(cè)“ V+” 端的共模干擾電壓（記為 U nc ） 。實(shí)際上 V+、V-是相對(duì)“0”端的直流差分電壓，而線間差模干擾電壓 Und 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)列于表 6。由于各種噪聲影響，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大。定義共模抑制比 CMRR 為： CMRR = - 20 l g U nd enc = 20 l g enc U nd (18 式中 U nc 取表 6 中較大者； enc 取 50V。對(duì)小功率 DC/DC 隔離電源，其隔離電容可以做到 50PF 以下，其 CMRR ³ 100dB。這些數(shù)據(jù)充分顯示隔離型 DC/DC 電源

22、變換器在抑制共模干擾方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，因而獲得 多領(lǐng)域青睞。 表6 電源正、負(fù)端輸出差模干擾電壓與 Cex 關(guān)系 0.0 1.1 1.2 92 100 2.0 2.2 87 300 3.5 3.5 83 1100 5.2 5.4 79 Cex （pF） U （mV） -0 （mV） U nd +0 nd CMRR（dB） 為便于理解式（18）的物理意義，作如下變通： CMRR = - 20 lg U nd enc = -20 lg U nd U nc U nc enc U U = - 20 lg nd - 20 lg nc U nc enc = - 20 lg K d - 20 lg K c

23、= - 20 lg K d + CMR (19 式中 Kc = Unc / enc ，與式（14）中的 K 一致，稱為共模傳遞系數(shù)； Kd = U nd / Unc ，稱為由共模到差模的 轉(zhuǎn)換系數(shù)，主要取決于信源內(nèi)阻抗及正反向端的平衡對(duì)稱性。式（19）指出，DC/DC 的共模抑制比由共 模傳遞系數(shù)及共差轉(zhuǎn)換系數(shù)兩部分合成。其中以共模傳遞系數(shù)為主要影響因素。 提高隔離阻抗，可以壓抑共模傳遞系數(shù) 見(jiàn)式 (14。因此，千方百計(jì)減小分布電容是增強(qiáng) DC/DC 電源共模抑制能力的合理之道。諸如提高振蕩頻率，減小變壓器線匝；選用理想開(kāi)關(guān)管和整流管，降低 雜散電容，減小內(nèi)部功耗，兼顧傳熱與分布電容之間的矛盾要求；確保電路板漂??；不在 DC/DC 輸入及 輸出（I/O）端跨接電容，也不在 I/O 端對(duì)殼體設(shè)置集總電容；模塊力求小型化，等等，均屬有效措施。 參考文獻(xiàn) 1 龍樂(lè)豪，導(dǎo)彈與航天叢書(shū)，液體彈道導(dǎo)彈與運(yùn)載火箭系列，總體設(shè)計(jì)（下） ，宇航出版社，1993.11,P.1P.160 7 2 王英劍，新