引言

DSP控制的開關(guān)電源實(shí)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(guān)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(shè)備的正常工作會(huì)造成威脅。電磁干擾的產(chǎn)生是由開關(guān)電源本身的特點(diǎn)所決定的，難以避免，關(guān)鍵是如何采取有效的措施來減小干擾程度，使開關(guān)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(dá)和偵察車的大功率開關(guān)電源為例(其輸出Uo=28 V，功率Po=2 kV，開關(guān)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(shí)現(xiàn)時(shí)采取了針對性的抗干擾設(shè)計(jì)措施。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該DSP控制的開關(guān)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(qū)動(dòng)電路、采樣電路、保護(hù)電路以及輔助電源組成?？刂齐娐肥且粋€(gè)實(shí)時(shí)檢測和控制系統(tǒng)，主要對開關(guān)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(yùn)算處理，對電源工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等。

功率主電路采用AC-DC-AC—DC變換結(jié)構(gòu)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(guān)電源的EMI干擾源分析

開關(guān)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(qiáng)烈干擾源。筆者討論的DSP開關(guān)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(shè)備產(chǎn)生的電磁騷擾沿著電源線傳播所造成的。對開關(guān)電源兩根進(jìn)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(dòng)電壓，被電容C1平滑后變?yōu)橹绷麟妷海鬟^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(dǎo)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(shí)脈沖電流使電源輸入功率因數(shù)降低。

2．2 開關(guān)電路產(chǎn)生的干擾

開關(guān)管IGBT是開關(guān)電源的核心器件， 同時(shí)也是干擾源。開關(guān)電源工作過程中，開關(guān)管處于高頻通斷狀態(tài)， 由高頻變壓器初級線圈、開關(guān)管和初級濾波大電容構(gòu)成了一個(gè)高頻電流環(huán)路，高頻變壓器初級線圈是開關(guān)管的負(fù)載，它是一個(gè)感性負(fù)載。所以，開關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，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(guān)管。同時(shí)， 由于高頻變壓器存在漏電感和分布電容，開關(guān)管在高頻開通和關(guān)斷時(shí)，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(guān)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(huì)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(fù)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(guān)電源工作時(shí)，輸出端整流二極管處于高頻通斷狀態(tài)。二極管正向?qū)〞r(shí)，其PN結(jié)內(nèi)的電荷被積累。當(dāng)二極承受反向電壓截止時(shí)，PN 結(jié)積累的電荷釋放形成反向恢復(fù)電流。在反向恢復(fù)過程中，流過二極管內(nèi)的電流發(fā)生劇烈變化，盡管電流非常小，但是二極管由導(dǎo)通到截止的時(shí)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(fù)電流將產(chǎn)生較強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩；因此，輸出整流二極管的反向恢復(fù)噪聲也成為開關(guān)電源中一個(gè)主要干擾源。

3 開關(guān)電源的EMI設(shè)計(jì)措施

3．1 DSP開關(guān)電源的硬件抗干擾設(shè)計(jì)

DSP 開關(guān)電源的硬件抗干擾設(shè)計(jì)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(shù)、接地技術(shù)等。

3．1．1 EMI濾波器

在電源輸入端加EMI濾波器，防止開關(guān)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(shè)備， 同時(shí)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(gè)磁芯上的線圈組成。當(dāng)差模噪聲電流流過共模扼流圈時(shí)，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(qiáng)的作用，每一線圈電感值為單獨(dú)存在時(shí)的2倍，對共模干擾有強(qiáng)的抑制作用。

3．1．2 RC緩沖吸收電路

在本電源的設(shè)計(jì)中，采用IGBT管來作為功率開關(guān)器件，既具有MOSFET 的通斷速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡單及驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR 的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點(diǎn)。但是在IGBT 開通和關(guān)斷過程中，會(huì)產(chǎn)生反向尖峰電流和尖峰電壓，為了減小IGBT開通和關(guān)斷時(shí)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(luò)，如圖2所示。

3．1．3 屏蔽措施

屏蔽是抑制開關(guān)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(dǎo)電率良好的材料對電場進(jìn)行屏蔽，用導(dǎo)磁率高的材料對磁場進(jìn)行屏蔽。對于開關(guān)電源來說，主要是做好高頻變壓器屏蔽，開關(guān)管、高頻整流二極管的屏蔽和機(jī)殼屏蔽。在屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問題，屏蔽盒上的通風(fēng)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(shí)還要保證屏蔽設(shè)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(huì)發(fā)生紊亂，影響電源的正常工作。為了保證開關(guān)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(shè)計(jì)中，采樣電路采取光耦隔離措施，使主電路強(qiáng)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(dǎo)的途徑傳入到控制電路。

在硬件電路的抗干擾設(shè)計(jì)中，除了采取上述技術(shù)措施外，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源的印制電路板時(shí)，應(yīng)盡量降低電源線和地線的阻抗，盡量將相互關(guān)聯(lián)的元器件擺放在一起，避免因器件離得太遠(yuǎn)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(yīng)盡量選用時(shí)鐘頻率低的單片機(jī)，以減小電路高頻噪聲，提高電路的抗干擾性能。

3．2 DSP開關(guān)電源的軟件抗干擾設(shè)計(jì)

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

3．2．1 數(shù)字濾波技術(shù)

在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)字濾波技術(shù)能有效地消除輸入信號的噪聲。數(shù)字濾波技術(shù)有中值法、算術(shù)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(jìn)行選擇，該電路系統(tǒng)中采用算術(shù)平均值濾波，對目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣，然后求其算術(shù)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(qiáng)有用信號，避免由輸入干擾而引起的輸出控制錯(cuò)誤，提高控制系統(tǒng)的性能。

3．2．2 指令冗余

當(dāng)DSP系統(tǒng)受干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)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(shí)，便自動(dòng)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(shí)，有可能落到其操作數(shù)上而繼續(xù)出錯(cuò)。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(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動(dòng)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(nèi)有高達(dá)32 KB的FLASH程序存儲器， 經(jīng)過擴(kuò)展，程序存儲空間可達(dá)64 K。在其閑置未使用的程序區(qū)設(shè)置一段引導(dǎo)程序，當(dāng)程序受到干擾亂飛進(jìn)入此區(qū)域時(shí)，引導(dǎo)程序?qū)?qiáng)行攔截亂飛的程序，將其迅速引向一個(gè)指定位置，在那里有一段專門對程序出錯(cuò)進(jìn)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(shù)

芯片片內(nèi)有一個(gè)“看門狗” 電路模塊，是程序運(yùn)行的監(jiān)視系統(tǒng)。該“看門狗”模塊具有以下特點(diǎn)： 當(dāng)8位“看門狗”計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，將產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信號；6位獨(dú)立運(yùn)行的計(jì)數(shù)器， 根據(jù)“看門狗”計(jì)數(shù)器預(yù)定標(biāo)值，對看門計(jì)數(shù)器進(jìn)行“喂狗” ； “看門狗” 復(fù)位鍵(WDKEY)寄存器在“看門狗”被正確“喂狗”時(shí)，清“看門狗”計(jì)數(shù)器，在錯(cuò)誤或無“喂狗”時(shí)產(chǎn)生復(fù)位。

“看門狗”技術(shù)通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間， 若發(fā)現(xiàn)它超過較大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，計(jì)數(shù)器溢出，系統(tǒng)復(fù)位并重新運(yùn)行系統(tǒng)程序。

4 結(jié)語

經(jīng)過以上開關(guān)電源的抗干擾設(shè)計(jì)后，其電磁兼容性測試結(jié)果滿足GJB一151A一97標(biāo)準(zhǔn)，無超標(biāo)現(xiàn)象，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。