引言

DSP控制的開關電源實現(xiàn)了數(shù)字控制，不僅可以得到穩(wěn)定的輸出電壓和輸出電流，還能克服模擬控制系統(tǒng)中元件老化、熱漂移等問題。但隨著開關頻率的提高和功率密度的增大所產(chǎn)生的電磁干擾EMI，對電源本身及周圍電子設備的正常工作會造成威脅。電磁干擾的產(chǎn)生是由開關電源本身的特點所決定的，難以避免，關鍵是如何采取有效的措施來減小干擾程度，使開關電源在DSP穩(wěn)定的控制參數(shù)作用下獲得很好的一致性和高可靠性。

于此，筆者以用于某高可靠雷達和偵察車的大功率開關電源為例(其輸出Uo=28 V，功率Po=2 kV，開關頻率fx=25 kHz)，分析電路電磁干擾的來源，并在電路的軟硬件實現(xiàn)時采取了針對性的抗干擾設計措施。

1 系統(tǒng)構成

該DSP控制的開關電源系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由功率主電路和控制電路組成。其中功率主電路由輸入EMI濾波器、輸入整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路組成?？刂齐娐酚蒁SP數(shù)字控制電路、IGBT驅動電路、采樣電路、保護電路以及輔助電源組成?？刂齐娐肥且粋€實時檢測和控制系統(tǒng)，主要對開關電源輸出電壓、電流和IGBT溫度的檢測，對收集信息的分析和運算處理，對電源工作參數(shù)的設置和顯示等。

功率主電路采用AC-DC-AC—DC變換結構p]，原理框圖如圖2，輸入交流電壓經(jīng)EMI濾波，輸入整流濾波電路后得到非穩(wěn)定直流電壓，該直流電壓通過高頻逆變電路變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出所需要的高頻交流電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，得到所需要的穩(wěn)定的直流電壓。

2 開關電源的EMI干擾源分析

開關電源產(chǎn)生電磁干擾的根本原因，是其在工作過程中產(chǎn)生了非常高的di／dt和du／dt，它們產(chǎn)生的浪涌電流和尖峰電壓形成了強烈干擾源。筆者討論的DSP開關電源的干擾源主要來自以下方面。

2．1 輸入整流電路的干擾

該部分電路干擾來自2方面：一是電源線引入的電磁干擾，電源線引入的電磁干擾是電網(wǎng)中各種用電設備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。對開關電源兩根進線而言，存在共模干擾和差模干擾。二是輸入電流畸變造成的電磁干擾。交流輸入電壓Ui經(jīng)整流橋變?yōu)檎颐}動電壓，被電容C1平滑后變?yōu)橹绷麟妷?，而流過電容C1的電流波形是脈沖波，含豐富的高次諧波。高次諧波電流沿傳輸線路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾，倒流入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓(原來是正弦波)發(fā)生畸變，對電網(wǎng)造成諧波污染，易造成電路故障。同時脈沖電流使電源輸入功率因數(shù)降低。

2．2 開關電路產(chǎn)生的干擾

開關管IGBT是開關電源的核心器件， 同時也是干擾源。開關電源工作過程中，開關管處于高頻通斷狀態(tài)， 由高頻變壓器初級線圈、開關管和初級濾波大電容構成了一個高頻電流環(huán)路，高頻變壓器初級線圈是開關管的負載，它是一個感性負載。所以，開關管在導通或關斷時，高頻變壓器的初級線圈兩端將產(chǎn)生很高尖峰電壓或尖峰電流，輕者造成干擾，重者擊穿開關管。同時， 由于高頻變壓器存在漏電感和分布電容，開關管在高頻開通和關斷時，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩。

2．3 高頻變壓器產(chǎn)生的干擾

高頻變壓器在開關電源中起能量儲存、隔離、電壓變換的作用，其初、次級繞組之間的分布電容和漏感是引起電磁干擾的重要因素。一方面漏感越大，產(chǎn)生的尖峰電壓幅值愈高。另一方面高頻變壓器初、次級之間的分布電容是產(chǎn)生共模干擾的主要來源之一。共模干擾是一種相對大地的干擾，不會通過變壓器來傳遞，而是通過變壓器繞組間的耦合電容來傳遞，高頻變壓器初、次級之間的共模干擾通道如圖3。Z為繞組間的耦合阻抗，Z2為負載對地的等效阻抗，e1為初級干擾(共模電壓)，e2為次級干擾(共模電壓)。

2．4 輸出整流二極管產(chǎn)生的干擾

開關電源工作時，輸出端整流二極管處于高頻通斷狀態(tài)。二極管正向導通時，其PN結內的電荷被積累。當二極承受反向電壓截止時，PN 結積累的電荷釋放形成反向恢復電流。在反向恢復過程中，流過二極管內的電流發(fā)生劇烈變化，盡管電流非常小，但是二極管由導通到截止的時間非常短暫；因此，di／dt較大。在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下，反向恢復電流將產(chǎn)生較強烈的高頻衰減振蕩；因此，輸出整流二極管的反向恢復噪聲也成為開關電源中一個主要干擾源。

3 開關電源的EMI設計措施

3．1 DSP開關電源的硬件抗干擾設計

DSP 開關電源的硬件抗干擾設計能有效地抑制干擾源，切斷干擾的傳輸路徑。采取的措施主要包括：EMI濾波器、RC吸收電路、屏蔽技術、接地技術等。

3．1．1 EMI濾波器

在電源輸入端加EMI濾波器，防止開關電源的共模和差模噪聲傳遞到電源線中，影響電網(wǎng)中其他用電設備， 同時也抑制來自電網(wǎng)的噪聲。其電路如圖4所示。圖中差模電容Cx用來短路差模噪聲電流，共模電容Cy，用來短路共模噪聲電流，共模扼流圈 是由兩股相同并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成。當差模噪聲電流流過共模扼流圈時，串聯(lián)在火線上的線圈所產(chǎn)生的磁通和串聯(lián)在零線上的線圈所產(chǎn)生的磁通方向相反，在磁芯中相互抵消，磁芯中沒有磁通，線圈電感幾乎為0， 因此不能抑制差模干擾信號。對于共模噪聲電流，兩線圈產(chǎn)生的磁通方向相同，有相互加強的作用，每一線圈電感值為單獨存在時的2倍，對共模干擾有強的抑制作用。

3．1．2 RC緩沖吸收電路

在本電源的設計中，采用IGBT管來作為功率開關器件，既具有MOSFET 的通斷速度快、輸入阻抗高、驅動電路簡單及驅動功率小等優(yōu)點，又具有GTR 的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點。但是在IGBT 開通和關斷過程中，會產(chǎn)生反向尖峰電流和尖峰電壓，為了減小IGBT開通和關斷時產(chǎn)生的尖峰電流及尖峰電壓，在IGBT 的集射極間并接RC緩沖吸收網(wǎng)絡，如圖2所示。

3．1．3 屏蔽措施

屏蔽是抑制開關電源輻射干擾的有效方法， 目的是切斷電磁波的傳播路徑，分電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽3種，用導電率良好的材料對電場進行屏蔽，用導磁率高的材料對磁場進行屏蔽。對于開關電源來說，主要是做好高頻變壓器屏蔽，開關管、高頻整流二極管的屏蔽和機殼屏蔽。在屏蔽設計時應考慮散熱和通風問題，屏蔽盒上的通風孔最好為圓形，接縫處最好焊接，以保證電磁的連續(xù)性，同時還要保證屏蔽設施可靠接地。

3．1．4 光耦隔離

由于DSP控制電路對干擾非常敏感，一旦有干擾，控制電路中的控制信號會發(fā)生紊亂，影響電源的正常工作。為了保證開關電源工作，控制電路必須具有很高的精度和穩(wěn)定性，為此，將主電路與控制電路從電氣上隔離開來。在本電路設計中，采樣電路采取光耦隔離措施，使主電路強電和DSP控制系統(tǒng)弱電之間保持控制信號的聯(lián)系，切斷電氣的聯(lián)系， 防止干擾通過傳導的途徑傳入到控制電路。

在硬件電路的抗干擾設計中，除了采取上述技術措施外，在設計開關電源的印制電路板時，應盡量降低電源線和地線的阻抗，盡量將相互關聯(lián)的元器件擺放在一起，避免因器件離得太遠而造成印制線過長所帶來的干擾，并將輸入信號和輸出信號盡量放置在引線端口附近，以避免因耦合路徑而產(chǎn)生的干擾。此外，還應盡量選用時鐘頻率低的單片機，以減小電路高頻噪聲，提高電路的抗干擾性能。

3．2 DSP開關電源的軟件抗干擾設計

在DSP開關電源中，軟件抗干擾設計與硬件的抗干擾設計同等重要，在許多情況下，開關電源的抗干擾設計不可能完全依靠硬件來解決。而對軟件采取抗干擾設計，往往成本低，見效快，起到事半功倍的效果。本設計中， 選用TMS32OLF2407A芯片作為DSP控制電路，采用的軟件抗干擾技術有：數(shù)字濾波、指令冗余、軟件陷阱和“看門狗(WATCHDOG)”技術

3．2．1 數(shù)字濾波技術

在實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)字濾波技術能有效地消除輸入信號的噪聲。數(shù)字濾波技術有中值法、算術平均值法、比較舍取法和一階遞推數(shù)字濾波法。具體選取何種方法，必須根據(jù)信號變化的規(guī)律進行選擇，該電路系統(tǒng)中采用算術平均值濾波，對目標參數(shù)進行連續(xù)采樣，然后求其算術平均值作為有效采樣值，這樣就能濾除干擾和噪聲信號，減小數(shù)據(jù)采集誤差，加強有用信號，避免由輸入干擾而引起的輸出控制錯誤，提高控制系統(tǒng)的性能。

3．2．2 指令冗余

當DSP系統(tǒng)受干擾后，往往將一些操作數(shù)當作指令碼來執(zhí)行， 引起程序“亂飛” 而脫離正常軌道。若程序亂飛到某條單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌；若程序亂飛到某條雙字節(jié)或三字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上而繼續(xù)出錯。為此，在對程序流向起決定作用指令前插入2條NOP指令，這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令NOP的存在，避免后面的指令被當作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。此外，在對系統(tǒng)流向起重要作用的指令， 如RET、CALL、BCND等指令前插入2～3條NOP指令， 也可將亂飛程序納入正軌。

3．2．3 軟件陷阱

TMS320LF2407A片內有高達32 KB的FLASH程序存儲器， 經(jīng)過擴展，程序存儲空間可達64 K。在其閑置未使用的程序區(qū)設置一段引導程序，當程序受到干擾亂飛進入此區(qū)域時，引導程序將強行攔截亂飛的程序，將其迅速引向一個指定位置，在那里有一段專門對程序出錯進行處理的程序，將亂飛的程序迅速納入正軌。

3．2．4 DSP系統(tǒng)的“看門狗”技術

芯片片內有一個“看門狗” 電路模塊，是程序運行的監(jiān)視系統(tǒng)。該“看門狗”模塊具有以下特點： 當8位“看門狗”計數(shù)器溢出時，將產(chǎn)生系統(tǒng)復位信號；6位獨立運行的計數(shù)器， 根據(jù)“看門狗”計數(shù)器預定標值，對看門計數(shù)器進行“喂狗” ； “看門狗” 復位鍵(WDKEY)寄存器在“看門狗”被正確“喂狗”時，清“看門狗”計數(shù)器，在錯誤或無“喂狗”時產(chǎn)生復位。

“看門狗”技術通過不斷檢測程序循環(huán)運行時間， 若發(fā)現(xiàn)它超過較大循環(huán)運行時間，則認為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，計數(shù)器溢出，系統(tǒng)復位并重新運行系統(tǒng)程序。

4 結語

經(jīng)過以上開關電源的抗干擾設計后，其電磁兼容性測試結果滿足GJB一151A一97標準，無超標現(xiàn)象，符合產(chǎn)品設計要求。