小功率DC-DC模块隔离阻抗分析

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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8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

2、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

3、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

4、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。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

5、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（）进入系统的路径上增大阻抗，削弱其对系统的危害力度。8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(a)所示。图中为信号电压；为部分等效内阻抗，包括传输线阻抗在内；为等效负载阻抗。噪声对系统2负载ZL形成的干扰电压为（1）图2直接接地(a)及浮地(b)供电的等效电路当时，。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

6、接地路径上设置隔离阻抗和。这时系统2负载上的干扰电压为（2）式中。若，则。式（2）变为（3）通常，式（3）简化为（4）由于，故。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、及、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，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

7、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（5）（6）或者写成通式：（7）通过一个实例，分析容抗对隔离阻抗的影响。实测。设,容抗，其模为（8）8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变化的关系。时，容抗不足，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:当时，隔离阻抗为：（9）表1100pF容抗与频率f关系10M1M100K10K1K50010050160160016K160K1.6M3.2

8、M16M32M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/