DCDC电源EMC设计与测试分析
1、引言
DC-DC变换器是航天器在地面测试和在轨运行的各个阶段将一次电源母线电压变换成各分系统及电子设备所需的电压，供航天器上负载使用的重要装载设备。我国在1986年制订了国军标GJB-151-86，对电子设备包括DC-DC变换器的EMC（电磁兼容性）做出了规定。由于航天器上装载有很多电子仪器设备，如通信、遥测与遥控设备等，这些设备对EMI（电磁干扰）很敏感，超标的EMI会使这些设备产生错误信号和指令，严重影响航天器的整体安全、稳定工作。因此，DC-DC变换器的EMC设计很重要。
2、航天器DC-DC变换器EMC技术要求
航天器DC-DC变换器通常要求进行的EMC测试项目见表1，各测试项目的要求是以GJB151A-97为基础，并参考了我国通信卫星对设备级产品EMC要求。
表1 航天器DC-DC变换器EMC要求测试项目
2.1 辐射发射控制要求（RE102）
辐射发射是检验设备以电磁辐射的形式向空间发射的干扰强度是否超过限制值，RE102是电场辐射发射试验。受试设备（EUT）的RE102（10kHz～18GHz）应不超过图1的要求。EUT工作频率较低，试验频率上限可到1GHz或其最高工作频率的10倍，取较大者。
图1 RE102无意电场辐射发射限制曲线
2.2 传导发射控制要求（CE102）
电流往往会借助电源线产生电磁辐射，CE102是检验设备以射频传导的方式发射的干扰强度是否超过限制值。本要求适用于航天器上的所有设备电源导线。EUT的CE102(10kHz～10MHz)电平应满足图2要求。
图2 CE102电源线传导发射限制曲线
2.3 辐射敏感度要求（RS103）
辐射敏感度检验设备能否抵抗外界的电磁干扰，RS103是关于电场干扰的。当按规定的强度对EUT进行RS103（2MHz～18GHz）试验时，EUT工作级和性能级应分别满足相应级别的敏感度判断准则要求，试验频率上限到1GHz或EUT最高工作频率的10倍。EUT的电场辐射敏感度要求具体指标见表2。
表2 RS103不同等级的测试限值要求
2.4 传导敏感度要求(CS101、CS114、CS115、CS116)
电源线传导敏感度（CS101 30Hz～150kHz）：本要求适用于直流电源线，不包括回线。CS101电源线注入电压及功率要求见表3，EUT应满足性能级要求。
表3 CS101电源线注入电压及注入功率要求
电缆束注入传导敏感度CS114(10kHz～200MHz)：本要求适用于互连电缆，包括直流电源电缆在内。CS114注入的是等幅波干扰，校准波形最大0.1A，试验目的是检验电缆束上感应的电磁能量是否会对设备造成干扰，因为空间电磁波进入设备的一个重要途径就是电缆。当按表4注入信号电流进行试验时，EUT应满足性能级要求。
表4 CS114电缆束注入电流要求
电缆束注入脉冲激励传导敏感度(CS115)：本要求适用于互连电缆。CS115所模拟的是设备使用平台上的电感性负载断开时产生的干扰，脉冲波形以30Hz重复。航天器DC-DC变换器电缆束注入脉冲激励传导敏感度生存级要求为I=5A；性能级要求为I=0.5A。
电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度CS116（10kHz～100MHz）：本要求适用于互连电缆（包括电源线和单根电源导线），但无需单独对电源回线进行试验。CS116模拟了在受试设备上可能出现的衰减正弦波干扰，注入的衰减正弦波校准波形的幅度最高达5A。电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度要求见表5。航天器DC-DC变换器电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度生存级要求为IMAX=5A；性能级要求为IMAX=0.5A。
表5 CS116电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度要求
2.5 静电电弧放电敏感度试验(ESD)
本要求适用于初样航天产品的壳体及所有互连电缆。当按QJ2266-92要求一般采取间接放电±10kV的电压值进行试验。放电频率为1次/秒，每点（面）30次。试验中EUT不应出现任何故障、性能降低或偏离规定的指标值。
3、航天器DC-DC变换器与EMC
航天器DC-DC变换器，按目前国内应用情况可分为28V、42V和100V输入电压品种，输出功率以30W为主。DC-DC变换器是以功率半导体开关器件为核心的高频功率电子电路，通过半导体开关器件周期性通断工作，控制开关元件的时间占空比来调整输出电压。脉宽调制器（PWM）的工作方式使得变换器不可避免的产生周期杂波，杂波的频谱分布在开关频率点和其高阶谐波频率点。如图3所示，DC-DC变换器电磁干扰（EMI）包括辐射发射（RE）、传导发射（CE）、辐射敏感度（RS）和传导敏感度（CS）。
图3 DC-DC变换器的干扰发射和敏感度示意图
4、DC-DC变换器EMI分析及EMC设计
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。