龐驥庭

（西安愛生技術(shù)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

隨著現(xiàn)代裝備系統(tǒng)的逐步發(fā)展，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化和多樣化，為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作，對電磁兼容性提出一定的要求。電源作為系統(tǒng)供電的主要部分，提高其電磁兼容性，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作的關(guān)鍵[1]。相比于低頻電源，高頻電源無論是在體積上或是在成本與運(yùn)行效率層面均具有較為顯著的優(yōu)勢，因此在裝備系統(tǒng)上得到廣泛應(yīng)用。但高頻電源在高頻運(yùn)行中極易受到電源電磁干擾，導(dǎo)致裝置、支撐系統(tǒng)的性能不足，并且對高頻設(shè)備附近的物質(zhì)造成嚴(yán)重的損害[2]。本文設(shè)計的電源電磁兼容方法可以控制高頻電壓電子設(shè)備在指定電磁環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)時實現(xiàn)電源電磁之間的兼容，實現(xiàn)對高頻電子設(shè)備的抗干擾設(shè)計，即高頻設(shè)備在強(qiáng)烈電磁干擾的條件下，應(yīng)用本文方法可保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，避免受到電磁干擾。盡管我國早已針對此方面展開了深入研究，但由于缺少專項技術(shù)作為支撐，導(dǎo)致設(shè)計的兼容方法指向性較強(qiáng)，即僅在應(yīng)用到某個指定電磁環(huán)境時才具有有效性，一旦環(huán)境參數(shù)改變，兼容方法便不再適用[3]。為了更好地解決電源電磁兼容問題，提出基于高頻電源電磁兼容優(yōu)化設(shè)計方法。

1 基于高頻電源電磁兼容優(yōu)化設(shè)計方法

1.1 優(yōu)化電源功率驅(qū)動電路平衡輸出

為實現(xiàn)在高頻段中電源電磁兼容性提升，本文在對電源進(jìn)行優(yōu)化時，首先針對其功率驅(qū)動電路平衡輸出問題進(jìn)行優(yōu)化。通常情況下，電源中的芯片需要輸出一個信號以驅(qū)動一個10 V左右的片外功率，且無需具備驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，導(dǎo)通阻抗相對較小[4]。為了進(jìn)一步提高電源在運(yùn)行過程中開關(guān)動作的可靠性，還需要在盡可能多的傳輸延遲條件下設(shè)定一個區(qū)域時間，以防止驅(qū)動電路出現(xiàn)短路問題。傳統(tǒng)方法提升驅(qū)動能力的同時，造成了版圖面積的增加，產(chǎn)生了嚴(yán)重的開關(guān)噪聲[5]。針對這一問題，本文在對電源的驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計時，需要從各個方面考慮到影響穩(wěn)定性的因素，從而實現(xiàn)對電源功率驅(qū)動電路平衡輸出優(yōu)化?；诖?，本文采用一種新型高壓驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 本文電源功率驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)示意圖

利用本文上述設(shè)計的電源功率驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，通過Level Shift完成對電源電路低壓控制信號到高壓控制信號的轉(zhuǎn)換，通過推挽和防死區(qū)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電源功率驅(qū)動電路的死區(qū)功能，減小電源運(yùn)行過程中的傳輸時延，從而解決電源運(yùn)行時兩組或多組驅(qū)動信號不同步的問題。同時，設(shè)計的電源功率驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步節(jié)省對電源電平檢測電路產(chǎn)生邏輯，使結(jié)構(gòu)更加簡單。

1.2 電源噪聲濾除去耦結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于電源在運(yùn)行過程中會受到周圍環(huán)境因素以及諧波污染的影響，導(dǎo)致運(yùn)行效果無法滿足實際要求，因此針對這一問題，本文在電源結(jié)構(gòu)中引入一種片上去耦電容，對電源進(jìn)行降噪和濾波處理[6]。利用去耦電容抵消電源線和地線產(chǎn)生的耦合，以此避免在電源運(yùn)行過程中大量噪聲進(jìn)入到襯底結(jié)構(gòu)中。本文將去耦電容連接到電源電路模塊與電源線之間。開啟開關(guān)時，由于電源線中存在寄生電感，因此電源上的電流會受到影響，并逐漸產(chǎn)生噪聲。針對這一現(xiàn)象，通過引入寄生電容實現(xiàn)去耦電容，抑制噪聲[7]。

為確保本文引入的片上去耦電容能夠?qū)崿F(xiàn)對噪聲的最大吸收，需要在電源中有效跟蹤濾波最大功率點，確保片上去耦電容能夠在濾波最大功率上進(jìn)行操作。首先，尋找濾波最大功率點時，在輸入電壓上添加一個時刻變化的量，并在電源電壓不再發(fā)生改變后測量電源的電流和電壓[8]。其次，計算電源輸出功率，得到新的輸入值和輸出值，再重復(fù)上述操作。最后，將上述兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較，若第一組輸入值和輸出值更大，則認(rèn)為第一組所在節(jié)點為濾波最大功率點，反之則認(rèn)為第二組所在節(jié)點為濾波最大功率點。確保片上去耦電容能夠在濾波最大功率點完成去耦操作，即可實現(xiàn)對電源噪聲的濾除，并確保得到最佳噪聲濾除效果。

1.3 基于高頻電源環(huán)路電感誤差補(bǔ)償控制

根據(jù)上述操作，確保電源能夠在最佳條件下運(yùn)行，為了實現(xiàn)在高頻段中電源環(huán)路電感的誤差補(bǔ)償，本文設(shè)計誤差補(bǔ)償控制機(jī)制。

在對高頻段電源環(huán)路電感進(jìn)行誤差補(bǔ)償時，首先對環(huán)路電感進(jìn)行計算，其公式為：

式中，L表示為高頻段中電源環(huán)路電感；k表示為電源變壓器線圈半徑；μ表示為真空狀態(tài)下電源磁導(dǎo)率，通常情況下取2.5π×10-7；N表示為電源變壓器線圈匝數(shù)；S表示為電源變壓器線圈橫截面面積；l表示為電源變壓器線圈實際長度。根據(jù)式（1）完成對高頻段中電源環(huán)路電感的計算后，利用電源電感無償補(bǔ)償電路對高頻電源環(huán)路電感數(shù)值超出或未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍的環(huán)路進(jìn)行電感補(bǔ)償。分別利用電壓鉗位電路、電流采樣電路、電壓穩(wěn)定隔離電路以及平衡點控制電路構(gòu)成電源電感誤差補(bǔ)償電路，它們在電源開關(guān)管導(dǎo)通期間存在的關(guān)系為：

式中，Uc表示為電壓鉗位電路電壓；U11表示為電流采樣電路電壓；U12表示為電壓穩(wěn)定隔離電路電壓。

電源電流采樣電路工作時，電源運(yùn)行過程中產(chǎn)生驅(qū)動信號，信號的強(qiáng)度為由低到高，當(dāng)開關(guān)逐漸轉(zhuǎn)為導(dǎo)通并達(dá)到3.46 μs時，在其中一端輸出一個相對較低的電平窄脈沖，以此確保另一端電路的導(dǎo)通，并通過兩端電路構(gòu)成一個電流鏡，而流經(jīng)其中的電流將會按照事先設(shè)置的比例鏡像到另一端電流[9]。同時，在電源運(yùn)行過程中，當(dāng)其中一端閉合后，通過本文上述引入的片上去耦電容能夠確保電源各個電路的柵壓不發(fā)生改變，以此維持電流采樣電路的電壓和電流大小始終保持不變，實現(xiàn)對電源環(huán)路電感誤差補(bǔ)償。

2 實驗論證分析

為進(jìn)一步驗證本文設(shè)計方法的應(yīng)用效果，進(jìn)行對比實驗。本文在對兼容優(yōu)化設(shè)計時，更多地關(guān)注高頻開關(guān)電源的抗電磁干擾能力優(yōu)化，而一般開關(guān)電源結(jié)構(gòu)的諧波只能夠在低頻段完成，并變?yōu)槊黠@的傳導(dǎo)干擾。為確保本文設(shè)計方法能夠有效應(yīng)用于實際，并通過實驗得出真實效果，本文選擇在《國家軍用電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)》下選擇22.5～1 000 MHz范圍的高頻段，將干擾頻率設(shè)置在110～1 000 MHz范圍內(nèi)，構(gòu)建電磁干擾環(huán)境。

為了更加方便驗證兩種不同電源的抗干擾能力，在實驗過程中分別選擇250 MHz、500 MHz、600 MHz、800 MHz以及1 000 MHz共5個頻率點，通過分析5個不同頻率點上優(yōu)化前后電源的電流和近場情況，并將兩種電源的電磁輻射數(shù)值作為評價指標(biāo)，得出如表1所示的實驗結(jié)果。

表1 優(yōu)化前后電源電磁輻射范圍對照

從表1中實驗結(jié)果可以看出，優(yōu)化前電源電磁輻射數(shù)值均超過6.000 μW/cm2，與電源運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)中提出的小于5.000 μW/cm2規(guī)定嚴(yán)重不符。而優(yōu)化后電源電磁輻射數(shù)值均在1.500 μW/cm2范圍以內(nèi)，符合電源在高頻段的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用本文設(shè)計方法后，高頻狀態(tài)下電源的電磁輻射數(shù)值明顯減小，進(jìn)場輻射范圍也縮減。因此，通過對比實驗證明，本文提出的方法可以有效提高電源在高頻段中的電磁兼容性。

3 結(jié) 論

電源電磁干擾對于高頻設(shè)備與裝備系統(tǒng)的影響越發(fā)顯著，為了更好地解決與此方面相關(guān)的問題，本文提出了一種基于高頻電源的電磁兼容優(yōu)化設(shè)計方法。經(jīng)過實驗證明，本文方法在實際應(yīng)用中明顯保證了電磁干擾下的電源性能，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在未來的研究中，嘗試將設(shè)計的方法應(yīng)用到裝備系統(tǒng)中，通過不斷實踐發(fā)現(xiàn)本文方法存在的不足，并在后期對本文方法加以改進(jìn)，真正解決電源受電磁干擾的問題。