军事应用中的开关DC/DC转换器必须满足严格的传导输入噪声排放（noise emissions）限制标准，它们通常需要输入滤波网络来遵守这一标准。然而，当DC/DC转换器的输入被并联时，噪声会以不确定的方式结合在一起，使滤波器设计变得困难。本文讨论了这一问题，并介绍了一种使用相位开关频率同步（phased switching-frequency synchronization）技术实现一致的、大幅度减少排放的方法。
DC/DC转换
隔离的和大多数非隔离的DC/DC转换是通过开关模式电源（SMPS）实现的，以实现高效率、小尺寸和低重量。有广泛的SMPS电路拓扑结构可以使用，所有这些都会在某种程度上从晶体管和二极管的传导转换中产生电噪声。噪声可以沿输入和输出线辐射或传导，在线路和返回导体之间出现差模（DM）噪声，或在线路和返回导体与地之间出现共模（CM）噪声。
表1中列出了军用级DC/DC转换器的一些噪声限制。这些限制是按照标准的线阻抗稳定网络的设置来测量的（图1），它输出一个信号，通常是给频谱仪或EMI分析仪，这是对跨越50Ω终端的CM和DM电压之和的测量。
表1：军事EMI限制，传导（CE，DO）和辐射（RE，DO）。
图1：用于传导型EMI测量的线阻抗稳定网络，显示CM和DM噪声路径
为了避免超过EMI限制，必须抑制DM和CM噪声，特别是由于沿外部连接的噪声可以在这两种模式之间交换，然后再返回。
输入电流波型取决于开关拓扑结构
虽然开关边缘有助于高频传导EMI，但基本的工作电流波型定义了低频DM发射水平，在开关频率下的线路响应最高。根据拓扑结构，工作输入电流波形可以是不连续的（如 "降压 "衍生电路）或连续的（如更高功率的 "升压 "衍生电路，尽管这些电路在低功率时可以是不连续的）。在所有情况下，电流波形可以近似为一个方波和一个以开关频率重复的三角形或锯齿形之和。这就是进入DC/DC转换器开关级的电流。转换器输入端的滤波器，至少是一个电容器，将电流调平，使其接近于直流，所要求的残余噪声低于EMI标准限制线。
预测EMI响应振幅的方法是在时域中将电流分解成方形、锯齿形和三角形元素，并应用傅里叶分析来给出频域中线路响应的振幅。然后可以根据频率图设计滤波器，将响应衰减到EMI标准所要求的水平。例如，一个不连续模式的升压转换器有一个三角形的输入电流波形，其振幅Isin(n)在n次谐波时为。
D是占空比，Ip是锯齿的峰值电流。
根据计算出的数值，一个输入电容可能就足够了，形成一个单极，随着频率的升高而产生-20-dB/decade的衰减。如果没有，可以采用一个额外的串联电感，给予总的-40dB/decade或一个-60dB/decade的CLC pi滤波器，这可能在整体上比一个单一的电容小，以达到相同的衰减。然而，单个大电容也可能有很大的等效串联电阻（ESR）和电感（ESL），降低其效果。添加输入滤波器也会引入自我和寄生谐振 （这可能产生振铃、额外的EMI响应和过电压），因此必须考虑阻尼。这有时是通过一个直接跨过转换器输入的串联电容和电阻来实现的。然而，滤波网络中最后一个电容器的ESR通常可以安排，以提供足够的阻尼效果。另外，Middlebrook标准是一个制约因素，它决定了滤波器的输出阻抗必须比下面转换器的输入低得多，以保证稳定性。滤波器的另一个考虑因素是足够的直流电流额定值，以避免在电流波形的峰值上出现过度加热和磁饱和，特别是在高温下。
并联DC/DC转换器的输入
分解电流波形可以量化一个转换器的线路响应振幅，但当两个并联时，即使是同一类型，EMI特征也更难预测。例如，在相同频率下运行的相同转换器，在开关频率下的综合噪声电流I为。
其中mn是转换器n的电流振幅， ɸn是转换器1和转换器n之间的开关相位差。如果所有振幅在值M时相等，随着转换器相位在0˚和360˚之间漂移，噪声响应振幅I将会从零到nM变化，导致完全或部分取消或增加。为了通过消除使基频的噪声最小化，转换器的频率可以同步，并以2π/n的开关周期开始时间之间的延迟分开，其中n是转换器的数量。表2列出了最多六个转换器所需的延迟。
表2：同步DC/DC转换器中消除基频噪声所需的相移
实现20分贝的衰减
仅仅两个转换器所需的π弧度或180˚相移，只是同步信号的反转，很容易实现。可以为其他相移值或由微控制器产生的信号定时，设计简单的逻辑网络。图2显示了四个转换器的同步波形示例，图3是相应的EMI图，比较了有同步和无同步的响应，产生了约20dB的改善。这是使用四个Gaia Converter DC/DC转换器在总功率为80W的情况下测量的。由于元件的公差和转换器之间负载分担的微小差异，实际上无法实现完全消除。除了改善传导的EMI水平外，转换器开关的相位也减少了输入电容器的纹波电流。这反过来又降低了电容器的损耗和压力，增加了整个系统的可靠性。
图2：四个DC/DC转换器的相位同步信号
图3：有（蓝色）和无（绿色）同步的相位转换器的EMI图比较
在图3的例子中，相位同步的效果是将300-kHz的基频响应降低到CE102极限线以下20dB以上。然而，高次谐波不一定被衰减，有些实际上会更高。这是因为在四个转换器和π/2相移的情况下，例如，第四次谐波被移位了一个完整的周期，即2π，导致加法而不是取消。更高的谐波也将更多地受到相移的容忍度的影响。然而，基波是最难过滤的，所以取消是非常有用的，而更高的谐波需要更小的电感和电容值才能达到类似的衰减水平。
在现实世界中的噪声衰减
下面一块装有六个军用级的Gaia Converter DC/DC转换器和一个前端滤波器/调节器模块的电路板，证明了相位同步技术的有效性。该板从24/28 VDC的额定输入中提供总功率为120 W的单极和双极输出（图4）。
图4：带有相位同步的DC/DC转换器的Gaia Converter DC/DC转换器演示板
转换器组成两个独立的组，通过控制电路进行180˚（π）相位同步，其中四个转换器为一组并以π/2同步。此外，还具有隔离和非隔离DC/DC转换器，包括负载点转换器型MPSGS14ED，它具有-36%至700%的电压微调、快速输出跟踪和恒流功能。
调节器模块LHUG150N提供反向极性和±100-V瞬态保护、浪涌电流和功率限制。该模块还可以在电源中断时实现50-ms至200ms的有效保持，通过将一个电容器充电到60V，无论输入是什么，并在中断发生时将其切换到DC/DC输入。因为能量储存在60V，所以可以使用一个相对较小的电容器。由于采用了相位同步，加上一个小型的1×1.2英寸板载EMC滤波器FGDS-12-100，仅占用了5%的可用电路板面积，该设计符合CE102排放限制，而且还有20dB的余量（图5）。军事航空电子标准MIL-STD-704、DO160、MIL-STD-461和MIL-STD-1275都得到了满足。
图5：来自Gaia Converter DC/DC转换器参考设计的EMI图，显示到CE102极限线的20dB余量。
结论
并联DC/DC转换器的相位同步技术使传导的EMI特征更可预测，允许以分析方式设计滤波器，以便符合EMI标准。然后可以实现滤波器的最佳设计，以显著减少其重量、尺寸和成本，这通常是高可靠性应用（如航空电子设备）中的关键参数。
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