在電力電子設(shè)備朝著高頻化、小型化發(fā)展的當(dāng)下，DC/DC 轉(zhuǎn)換器作為能量轉(zhuǎn)換的核心部件，其電磁兼容性(EMC)問(wèn)題日益凸顯。傳導(dǎo)電磁干擾(EMI)作為 DC/DC 轉(zhuǎn)換器最主要的干擾形式，不僅會(huì)影響周邊電子設(shè)備的正常工作，還可能導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法通過(guò)電磁兼容認(rèn)證。本文將深入剖析 DC/DC 轉(zhuǎn)換器傳導(dǎo) EMI 的產(chǎn)生機(jī)理、噪聲傳播路徑，并系統(tǒng)闡述濾波技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)與工程實(shí)踐。

一、傳導(dǎo) EMI 的產(chǎn)生機(jī)理與分類(lèi)

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo) EMI 源于開(kāi)關(guān)器件的非線性工作特性。轉(zhuǎn)換器中的功率 MOSFET、二極管等器件在高頻通斷過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電壓和電流的急劇變化(di/dt、dv/dt)，這種瞬態(tài)變化會(huì)通過(guò)電路寄生參數(shù)激發(fā)高頻振蕩，形成電磁噪聲。根據(jù)噪聲的傳播形式，傳導(dǎo) EMI 可分為差模噪聲(Differential Mode Noise, DMN)和共模噪聲(Common Mode Noise, CMN)兩大類(lèi)，二者在產(chǎn)生機(jī)制和傳播路徑上存在顯著差異。

差模噪聲是指在兩根電源線之間傳播的噪聲，其產(chǎn)生主要與開(kāi)關(guān)器件的電流突變相關(guān)。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管快速導(dǎo)通時(shí)，輸入電流會(huì)迅速上升，在輸入濾波電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)上形成電壓尖峰;開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感電流的突變會(huì)通過(guò)續(xù)流二極管產(chǎn)生反向恢復(fù)噪聲，這些噪聲以差模形式疊加在電源線上。差模噪聲的頻率范圍通常在 10kHz-30MHz，波形呈現(xiàn)窄脈沖特征，峰值較高。

共模噪聲則是指兩根電源線相對(duì)于大地共同存在的噪聲，其產(chǎn)生機(jī)制更為復(fù)雜。開(kāi)關(guān)器件的高速開(kāi)關(guān)會(huì)在散熱片與地之間、器件封裝與基板之間形成寄生電容，這些寄生電容構(gòu)成了共模電流的流通路徑。此外，變壓器的繞組間寄生電容、輸入輸出線纜的分布電容也會(huì)加劇共模噪聲的傳播。共模噪聲的頻率更高，通常在 30MHz-1GHz，且輻射能力強(qiáng)，是影響設(shè)備 EMC 性能的關(guān)鍵因素。

二、傳導(dǎo) EMI 的傳播路徑分析

傳導(dǎo) EMI 的傳播路徑分為差模路徑和共模路徑，明確噪聲的傳播路徑是設(shè)計(jì)有效濾波方案的前提。

差模噪聲的傳播路徑較為直接：在輸入側(cè)，噪聲通過(guò)電源正極→DC/DC 轉(zhuǎn)換器→電源負(fù)極的回路傳播，干擾電網(wǎng)或其他并聯(lián)設(shè)備;在輸出側(cè)，噪聲通過(guò)負(fù)載→輸出濾波電容→轉(zhuǎn)換器的回路傳播，影響負(fù)載的正常工作。差模噪聲的傳播主要受電路阻抗的影響，當(dāng)回路阻抗較低時(shí)，噪聲更容易傳播。例如，輸入濾波電容的 ESL 過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致差模噪聲在低頻段的衰減不足。

共模噪聲的傳播路徑更為復(fù)雜，通常需要借助寄生參數(shù)形成回路。以反激式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為例，共模噪聲的產(chǎn)生過(guò)程如下：開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)繞組的電壓突變會(huì)通過(guò)繞組間的寄生電容耦合到次級(jí)繞組;同時(shí)，開(kāi)關(guān)管的漏源極電壓突變會(huì)通過(guò)器件與散熱片之間的寄生電容耦合到大地，形成共模電流。這些共模電流會(huì)通過(guò)輸入電源線→大地→寄生電容→轉(zhuǎn)換器的回路傳播，或通過(guò)輸出線纜的分布電容輻射到空間中。此外，設(shè)備的接地方式也會(huì)影響共模噪聲的傳播，不合理的接地會(huì)形成接地環(huán)路，加劇噪聲干擾。

三、傳導(dǎo) EMI 的濾波技術(shù)與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)傳導(dǎo) EMI 的特性，常用的濾波技術(shù)包括差模濾波、共模濾波以及復(fù)合濾波，核心器件為差模電感器、共模電感器和 X/Y 電容。

差模濾波的核心是抑制差模噪聲的傳播，主要采用差模電感器和 X 電容。差模電感器串聯(lián)在電源線上，利用其電感阻抗抑制高頻差模電流;X 電容并聯(lián)在電源線之間，通過(guò)電容的容抗為差模噪聲提供低阻抗泄放路徑。設(shè)計(jì)差模濾波電路時(shí)，需注意以下要點(diǎn)：一是根據(jù)噪聲的頻率范圍選擇合適的電感和電容參數(shù)，確保在目標(biāo)頻率段具有足夠的衰減;二是減小差模電感器的直流電阻，降低功耗;三是合理布局，避免差模濾波回路與其他回路形成耦合。例如，X 電容應(yīng)盡量靠近轉(zhuǎn)換器的輸入端，縮短噪聲泄放路徑。

共模濾波是抑制共模噪聲的關(guān)鍵，核心器件為共模電感器和 Y 電容。共模電感器的兩個(gè)繞組反向繞制在同一磁芯上，對(duì)差模電流呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)共模電流呈現(xiàn)高阻抗，從而有效抑制共模噪聲;Y 電容并聯(lián)在電源線與大地之間，為共模電流提供泄放路徑。共模濾波電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)包括：一是選擇磁導(dǎo)率高、飽和磁通密度大的磁芯材料，提高共模電感的抑制能力;二是保證兩個(gè)繞組的對(duì)稱(chēng)性，減少差模干擾對(duì)共模電感的影響;三是 Y 電容的容量需嚴(yán)格遵循安全標(biāo)準(zhǔn)，避免因電容漏電導(dǎo)致觸電風(fēng)險(xiǎn)。此外，共模電感器的繞制工藝也會(huì)影響濾波效果，需盡量減小繞組間的寄生電容。

復(fù)合濾波電路結(jié)合了差模濾波和共模濾波的優(yōu)勢(shì)，適用于同時(shí)存在較強(qiáng)差模和共模噪聲的場(chǎng)景。典型的復(fù)合濾波電路由共模電感器、X 電容和 Y 電容組成，共模電感器同時(shí)抑制共模噪聲和部分差模噪聲，X 電容和 Y 電容分別針對(duì)差模和共模噪聲進(jìn)行補(bǔ)充濾波。在實(shí)際應(yīng)用中，濾波電路的布局至關(guān)重要，應(yīng)遵循 “近場(chǎng)濾波” 原則，將濾波器盡量靠近 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入輸出端，縮短噪聲傳播路徑;同時(shí)，避免濾波電路的輸入輸出線纜交叉耦合，減少噪聲的二次輻射。

四、工程應(yīng)用中的優(yōu)化策略

除了合理設(shè)計(jì)濾波電路，在工程實(shí)踐中還需結(jié)合 PCB 布局、接地設(shè)計(jì)和器件選型等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化，以提升 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的 EMC 性能。

PCB 布局是抑制傳導(dǎo) EMI 的基礎(chǔ)，關(guān)鍵在于減小噪聲源的回路面積。對(duì)于開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管等噪聲源器件，應(yīng)盡量縮短其連接路徑，減小功率回路的面積，降低 di/dt 帶來(lái)的噪聲輻射;輸入輸出濾波電路應(yīng)與轉(zhuǎn)換器的功率回路隔離，避免噪聲耦合;此外，電源線和地線應(yīng)采用寬銅箔設(shè)計(jì)，降低線路阻抗，減少噪聲的傳播。

接地設(shè)計(jì)需遵循 “單點(diǎn)接地” 或 “星形接地” 原則，避免形成接地環(huán)路。將濾波電路的接地端、轉(zhuǎn)換器的信號(hào)地和功率地分開(kāi)設(shè)計(jì)，最后匯聚到一點(diǎn)接地，可有效抑制共模噪聲的傳播。同時(shí)，接地引線應(yīng)盡量短且粗，降低接地阻抗，提高噪聲泄放效率。

器件選型對(duì)傳導(dǎo) EMI 的抑制效果也有重要影響。選擇開(kāi)關(guān)速度適中的功率器件，可在保證轉(zhuǎn)換效率的前提下，降低 di/dt 和 dv/dt，從源頭減少噪聲產(chǎn)生;選用低 ESR、低 ESL 的濾波電容，可提高濾波電路的高頻性能;此外，合理選擇變壓器的磁芯材料和繞組結(jié)構(gòu)，減少繞組間的寄生電容，也能有效抑制共模噪聲的耦合。