小功率DCDC模块隔离阻抗分析要点

1、1小功率DC/DC模块隔离阻抗分析景艳红 陆寿茂航天科技集团公司一院一部二00二年六月二十八日1小功率DC/DC模块隔离阻抗分析景艳红 陆寿茂（航天科技集团公司一院一部 北京 100076）文 摘 从DC/DC功能引出隔离阻抗概念，进而介绍隔离阻抗的内涵及阻抗三角形分析方法。通过实例验证理论分析的合理性，指明提高隔离阻抗是增强DC/DC模块共模抑制能力的主要途径，减小分布电容是最有效的措施。主题词 DC/DC变换 隔离阻抗 分布电容 电磁兼容直流-直流电源变换器（DC/DC）分为隔离型与非隔离型两类。它们各有所长，用途广阔。遥测系统箭上设备出于抗干扰（EMI ）需求，主要选用隔离型DC/DC电

2、源。隔离方式以电磁效应为主，即采用变压器实现电压变换、初次级隔离及电磁兼容的功能。此处隔离亦称绝缘。初次级隔离实为初级“地”与次级“地”的隔离，以保护人身与设备的安全，同时抑制电磁干扰的传播。为适应分布式供电，DC/DC模块应运而生。随着电子技术的发展和小型化的推动，10W 以下的小功率DC/DC模块得以普及并逐步形成系列化和标准化产品。我部外委研制的3W 级DC/DC模块已完成初样测试。其中隔离阻抗作为一项正式技术指标，首次写入研制合同。本文特对隔离阻抗的内涵、工程意义及测试方法进行研究分析。1. 从绝缘电阻到隔离阻抗的跨越以往多用绝缘电阻衡量电路绝缘（或隔离）性能。其本质是反映泄漏电流的大

3、小。这在直流或低频条件下是可行的。随着自动化、智能化及信息技术的发展，箭上电气系统趋于复杂，频带展宽，从而引出电磁兼容(EMC问题。抑制电磁干扰的一项有效措施是采用漂浮电源，即用对地绝缘的DC/DC电源。它切断“地”回路，极大地衰减共模干扰，简化系统设计，提高系统工作的安全性及可靠性。表征DC/DC电源隔离性能的重要指标是隔离阻抗，而非绝缘电阻。这是一步跨越。它表明DC/DC抑制干扰能力的增强及认识水平的提升。为介绍干扰情况，以系统电源直接接地为例, 图1是其原理框图。系统1、2分别由两个独立电源供电，且直接接地。两地相距较远。两个地电位差构成系统的共模（CM ）噪声电压nc e 。nc e

4、进入系统1、2中，形成干扰。其后果视条件而变，严重时可能破坏系统正常运行。这是大家不愿见到的结局。 图1 系统电源直接接地在长期实践中，人们总结出对付干扰的三大措施，即抑制干扰源、抑制干扰传输及提高自身抗干扰能力1。抑制干扰源效果最佳，可惜常常难以实现。抑制干扰传输的办法较多，除屏蔽、滤波等措施外， 采用漂浮电源，让系统对地“浮”起来，亦为立杆见影之举。基本思路是在干扰（nc e ）进入系统的路径上增大阻抗，削弱其对系统的危害力度。为了分析简便，将图1中的系统1设定为信号发送端，系统2设定为接收端，其等效电路如图2(a2所示。图中s e 为信号电压；i Z 为部分等效内阻抗，包括传输线阻抗在内

5、；L Z 为等效负载阻抗。噪声nc e 对系统2负载Z L 形成的干扰电压2n U 为2LLnc n i Z U Z Z e =+ （1） 图2 直接接地(a及浮地(b供电的等效电路当L iZ Z 时，2n nc U e 。干扰直接进入系统1、2，显然不合理！改进措施如图2(b所示：两个系统均用浮地电源，在接地路径上设置隔离阻抗1Z 和2Z 。这时系统2负载上的干扰电压2n U '为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 ，则i Z Z 。式（2）变为212i Li i Lnc n Z Z

6、 U Z Z Z Z Z e '=+ （3）通常12i Z Z Z 、，式（3）简化为/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 '。这一结论，充分表达了隔离电源对共模干扰的巨大抑制能力。正是这种凸显的优点，导致DC/DC在各个层面（包括系统、分系统、整机及单板等）获得广泛应用。图3展示用两块DC/DC模块为系统1、2分别供电的原理框图。图中1R 、1C 及2R 、2C 分别代表两块DC/DC的隔离电阻及电容。图中未画电感不是疏忽。由于共模干扰频带涉及高、中、低频段，

7、高频幅值较小；中、低频幅值较大，是主要成分。分布电感在中频以下感抗较小；而分布电容相对突出，对绝缘电阻起旁路作用。两块DC/DC等效隔离阻抗为111/IS C Z R X = （5）222/IS C Z R X = （6）或者写成通式： /IS IS IS Z R X = （7）通过一个实例，分析容抗对隔离阻抗的影响。实测100IS R M 。设100p IS C F =, 容抗(1ISCIS X C j -=，其模为(9111.6102IS IS CISC C X f f= （8）3 图3 系统由DC/DC供电，对地形成漂浮表1列出容抗随干扰频率f 变化的关系。2f kHz 时，容抗不足M

8、1，对绝缘电阻形成严重旁路。这时，隔离阻抗主要取决于分布(隔离 电容。由式(7不难导得相同的结果: 当ISCIS R X 时，隔离阻抗为：IS IS Z X （9）表1 100pF容抗 X 与频率f 关系从关注绝缘电阻转移到关注分布（隔离）电容，不仅是理念上的升华及拓展，更具有工程实践意义。首先明确绝缘阻抗（包含电阻和电容）应成为DC/DC的一项重要技术指标。这是制约DC/DC设计、生产和测试的一项基本要求。具体讲，变压器初次级间杂散电容宜小不宜大；不可在初次级间以及初次级对壳体间随意跨接固定电容；开关管与模块壳体间的分布电容与传热设计这一对矛盾要妥善解决，等等。如何获取隔离阻抗？须从分析阻抗

9、三角形开始。2. 隔离阻抗等效三角形（）实际运行中的隔离型DC/DC模块的外壳（或屏蔽层S ）通常接地，以抑制内部噪声外泄及外部噪声n E 入侵，如图4所示。这是一块输出15V ±的模块。它以“O ”端为“输出地”；输入28V 的“-”端为“输入地”；加上“屏蔽地”，共有三个“地”。三点构成三角形（），如图5(a所示。若以隔离电容取代隔离阻抗，便可简化为图5(b。图5中( i j i j Z C i =12j =23j i 及、，、， 是实际存在参数。而由外部测量 V+0V-图4 隔离阻抗的等效电路图仪表测得的阻抗m i jZ 及电容m ijC 则是它们综合效应，如图6所示。图5与图

10、6中相应参数的函数关系如式（10）和式（11）所示。 433(a(b m m (a(b图5 真实隔离阻抗(a及隔离电容(b等效 图6 实测隔离阻抗(a及隔离电容(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）要从实测m mi j ijZ C 及导出真实i j i j Z C 及比较繁琐。为简化演算，采用局部短接法实测电容可收明显效果。

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）能够方便地分离出真实隔离电容：121213232323121313132312( /2( /2( /2S S S S S SS S SC C C C C C C C C C C C =+-=+-=+-（13）等效三角形说明阻抗间的关联性。工程上要求i j i j Z C 及的三个值彼此接近，不宜差异过大。3. 实验验证理论与实践表明，共模干扰是箭上遥测设备的主要干扰模式。人们自然关心隔离型DC/DC模块对共模干扰的抑制能力怎样？共模抑制（C

12、MR ）与隔离阻抗的关系如何？下面通过新近研制的3W 级±15V 初样进行验证性实验。模块内部结构如图4所示。实验电路示于图7，外壳接地。外部共模噪声nc e 加在输入端。通过外接电容ex C 模拟初次级隔离电容的变化。P R 为保护电阻，只在高压(100V 时用到。Cex + 28V _ Rp DC/DC 1 S 3 2 + U nc U0 nc - U nc V+ 0 VRL * enc 图7 隔离型 DC/DC 模块共模干扰实验图 借助隔离阻抗三角形方法画出图 7 的等效电路（见图 8） 。图中 Z L 代表“2”端（输出端）测试仪表 的等效负载阻抗（ RL、CL ） 。 en

13、c 是以屏蔽外壳为参考的共模噪声输入电压； Unc 是输出共模电压，其表 达式为 U nc = Ze Z12 + Z e enc = K enc （14） 式中系数 K = Ze / ( Z12 + Ze = Unc / enc ；等效阻抗 Ze = Z23 / / Z L 。式（14）中的共模电压传递系数 K 只与 阻抗（隔离阻抗及负载阻抗）有关。而阻抗中的容抗与频率有关。当干扰频率较高时，可用容抗取代阻 抗（见图 9） 。这时 K 值与频率无关，即 K= C12 C12 + C23 + CL （15） 由于信号源内阻很小，可以略去，故三角形的 Z13 （或 C13 ）不影响传递系数的变化。

14、 1 Z12 2 Unc 1 C12 2 Unc CL * Z13 Z23 3 RL C13 * C23 3 enc 图8 enc 图9 实验测试等效电路 容抗取代阻抗的等效电路 S S S 通过对实验模块的部分短接测量，测得 C12 = 49 pF ， C13 = 50 pF 。由式 (13导出真实分 = 42pF ， C23 布电容为 C12 = 21.5 pF ， C23 = 20.5 pF ， C13 = 28.5 pF , 。同时测得测量仪表的等效电容 CL1 = 160 pF ；线路 板引线等效电容 CL2 = 15 pF ； 考虑外接电容 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） 用正弦信号发生器作共模噪声源，enc = 5V (rms = const . ， 频率 f = 20 20000Hz 。 改变外接电容 Cex ， 标称值分别取 0、 100pF、 300pF 及 1100pF。 测量结果列于表 2,并在图 10 上展示相应的幅频特性 ( Unc - f 曲线。 在低频段曲线单调上升； 随着频率增加， 曲线趋于水平线， 输出不随频率变化。 这就

16、验证了式 （ 16） 的关系，即容抗起主要作用。相关系数列于表 3。其中 K1¢ (实) 为实测共模传递系数； K2 ¢ (理) 为按式（16） 导得的传递系数，两者接近，表示理论模型的合理性。 5 表 2 外接电容 Cex 对传递系数幅频特性影响的测试数据表（ 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：括弧中数据代表实测电容值。 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 图 10 不同外接电容 ( Cex 对应的幅频特性(

18、Unc - f 曲线 表 3 高频下隔离电容对共模传递系数的影响（ 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¢ (实) 在地面测试中，遥测系统难以避开 50Hz 工频干扰。通常用共模抑制（ CMR）及共模抑制比（ CMRR） 评估研究对象对工频干扰的抑制能力。实验按图 7 连接。由自耦变压器产生可变电压 enc ；改变外接电容 Cex ，获得数组数据，导出相应回归直线方程

19、，列于表 4。回归直线的截距不为零是由高低频干扰（主要 指电源模块纹波及工频噪声）引起。令人感兴趣的是直线的斜率。它反映共模传递系数随外接电容的增 大而提高。这在图 10 的一组曲线中有所体现（虚线对应工频的 U nc 随 Cex 的增大而增加） 。定义共模抑 制(CMR 为： 4 CMR = - 20 l g K (17 式中 K 由式（14）定义，它是隔离阻抗的函数。表 4 回归方程的斜率正是 K 的实测值。它们对应的 CMR 示于表 5。 无外接电容时， DC/DC 内部高的隔阻抗对共模干扰产生 40dB 以上的抑制。 外接电容增至 100PF 时，抑制能力降到 30dB 以下。可见,设

20、法提高 DC/DC 内部的隔离阻抗（主要是减小隔离电容）是增强共 模抑制能力的主要途径。 6 表4 工频干扰实测数据 回归直线方程 Unc = 1.11 + 0.0085 enc Unc = 1.14 + 0.0375enc 表5 CMR 随 Cex 变化的测试数据 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 电源输出端有三条引线（ V+、0、V-） 。它们面对同一共模电压，故选择一点，只测“ V+” 端的共模干扰电压（记为 U nc ） 。实际上 V+、V-是相对“0”端的直流差分电压，而线间差模干扰电压 Und 实测数据列于表 6。由于各种噪声影响，实测数据偏大。定义共模抑制比 CMRR 为： CMRR = - 20 l g U nd enc = 20 l g enc U nd (18 式中 U nc 取表 6 中较大者； enc 取 50V。对小功率 DC/DC 隔离电源，其隔离电容可以做到 50PF 以下，其 CMRR ³ 100dB。这些数据充分显示隔离型 DC/DC 电源

22、变换器在抑制共模干扰方面具有独特优势，因而获得 多领域青睐。 表6 电源正、负端输出差模干扰电压与 Cex 关系 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） 为便于理解式（18）的物理意义，作如下变通： 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 ，与式（14）中的 K 一致，称为共模传递系数； Kd = U nd / Unc ，称为由共模到差模的 转换系数，主要取决于信源内阻抗及正反向端的平衡对称性。式（19）指出，DC/DC 的共模抑制比由共 模传递系数及共差转换系数两部分合成。其中以共模传递系数为主要影响因素。 提高隔离阻抗，可以压抑共模传递系数 见式 (14。因此，千方百计减小分布电容是增强 DC/DC 电源共模抑制能力的合理之道。诸如提高振荡频率，减小变压器线匝；选用理想开关管和整流管，降低 杂散电容，减小内部功耗，兼顾传热与分布电容之间的矛盾要求；确保电路板漂浮；不在 DC/DC 输入及 输出（I/O）端跨接电容，也不在 I/O 端对壳体设置集总电容；模块力求小型化，等等，均属有效措施。 参考文献 1 龙乐豪，导弹与航天丛书，液体弹道导弹与运载火箭系列，总体设计（下） ，宇航出版社，1993.11,P.1P.160 7 2 王英剑，新