一、引言

航天器DC-DC模塊作為衛(wèi)星、電探測(cè)器、載人航天等空間平臺(tái)的核心電源單元之一，承擔(dān)著將母線電壓轉(zhuǎn)換為各功能子系統(tǒng)所需電壓的關(guān)鍵任務(wù)。由于航天環(huán)境存在輻射、真空、高低溫循環(huán)等特殊影響，而DC-DC模塊在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量開關(guān)噪聲和電磁干擾，其輻射、傳導(dǎo)特性直接關(guān)系到整個(gè)航天器系統(tǒng)的可靠性和電磁兼容性能。為確保DC-DC模塊在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，并對(duì)整機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生最小的干擾，本設(shè)計(jì)方案將從電磁兼容總體方案、器件選型、濾波與屏蔽技術(shù)、布線及接地、仿真與測(cè)試驗(yàn)證等方面進(jìn)行深入探討，針對(duì)典型架構(gòu)（如升壓、降壓、隔離型等）提出詳細(xì)的EMC設(shè)計(jì)思路，并給出優(yōu)選元器件型號(hào)、關(guān)鍵參數(shù)及其作用原理和選型理由，力求為航天器DC-DC電源模塊提供系統(tǒng)性、全面性、可操作性強(qiáng)的EMC設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

二、航天器DC-DC模塊電磁兼容總體設(shè)計(jì)思路

在航天器電源DC-DC模塊的EMC設(shè)計(jì)中，必須立足于其所處的系統(tǒng)級(jí)電磁環(huán)境，兼顧傳導(dǎo)干擾與輻射干擾，以及靜電放電（ESD）、電快速瞬變（EFT）、浪涌等瞬態(tài)干擾對(duì)模塊本身的抗擾能力；同時(shí)還要防止模塊產(chǎn)生的干擾影響鄰近電子設(shè)備。總體設(shè)計(jì)思路包括以下幾個(gè)方面：首先，明確母線輸入與輸出系統(tǒng)的電磁兼容指標(biāo)要求，例如依據(jù)MIL-STD-461G（針對(duì)空間裝備的電磁兼容要求）、NASA-STD-4003（航天飛行器電磁兼容控制）等標(biāo)準(zhǔn)，定義輸入濾波器的共模、差模抑制目標(biāo)值；其次，在電路拓?fù)鋵用姹M量選擇低噪聲、軟開關(guān)或零電壓開關(guān)（ZVS）架構(gòu)，以減少開關(guān)過(guò)程中的電壓電流應(yīng)力及開關(guān)瞬變邊沿陡峭度；再者，在器件選型時(shí)優(yōu)先挑選低漏感、低等效串聯(lián)電阻（ESR）的磁性元件及電容，降低寄生參數(shù)對(duì)EMI性能的影響；此外，通過(guò)合理布局與接地策略優(yōu)化回流電流路徑，減小環(huán)路電感；最后，采用多級(jí)濾波策略：在開關(guān)管源極或漏極處使用RC緩沖或峰值抑制（RCD）吸收電路，在電源輸入端或輸出端設(shè)置共模電感與差模電感組合濾波，在PCB關(guān)鍵位置布置磁性屏蔽罩和金屬遮蔽罩，有效抑制輻射噪聲，并在殼體與基板之間保持良好接地接觸。總體思路基于“源頭抑制、傳輸隔離、末端濾波、屏蔽圍堵”四要素相結(jié)合，通過(guò)器件級(jí)、模塊級(jí)、系統(tǒng)級(jí)多層次設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)滿足航天器嚴(yán)格EMC要求的DC-DC電源設(shè)計(jì)。

三、關(guān)鍵器件選型原則與優(yōu)選型號(hào)

在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，航天器DC-DC模塊EMC設(shè)計(jì)對(duì)器件的寄生參數(shù)、熱特性、可靠性等級(jí)等性能要求十分苛刻。以下分別從功率開關(guān)器件、磁性元件、電容、電阻、濾波器及磁珠、屏蔽材料及連接器等幾大類器件逐一說(shuō)明選型原則、優(yōu)選型號(hào)、器件作用及選型理由。

?（一）功率開關(guān)器件（MOSFET/IGBT/SiC器件）

航天器DC-DC模塊常用的功率開關(guān)器件主要為輻射硬化型（Rad-hard）MOSFET或GaN/SiC功率開關(guān)管，需滿足高頻開關(guān)、低導(dǎo)通電阻、耐輻射能力強(qiáng)等要求。典型優(yōu)選型號(hào)如下：

• 型號(hào)：VISHAY Si7828DP（輻射硬化級(jí)Si MOSFET）
  **器件作用：**作為DC-DC模塊中級(jí)聯(lián)H橋或降壓/升壓開關(guān)，負(fù)責(zé)在高頻下實(shí)現(xiàn)高效電能轉(zhuǎn)換。
  **選型理由：**該型號(hào)具有低導(dǎo)通電阻（R_DS(on)≈15mΩ@V_GS=10V），極低柵極電荷，支持100V電壓等級(jí)；同時(shí)其經(jīng)過(guò)輻射硬化處理，單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）閾值高于出租的空間輻照要求，適用于地球軌道及深空探測(cè)應(yīng)用。

• 型號(hào)：CREE CGH60R065D SiC MOSFET
  **器件作用：**在對(duì)效率要求極高的隔離型DC-DC模塊中，可用作主開關(guān)管以實(shí)現(xiàn)高頻、高效轉(zhuǎn)換。
  **選型理由：**SiC MOSFET具有更高的擊穿電壓、更低的開關(guān)損耗，在150°C高溫環(huán)境下參數(shù)穩(wěn)定；CGH60R065D的R_DS(on)≈65mΩ@V_GS=20V，支持650V耐壓，適合高壓輸入轉(zhuǎn)換的需求；其熱阻和寄生電感值較低，可有效降低開關(guān)尖峰，從而減小EMI。

• 型號(hào)：TI UCC24612同步整流驅(qū)動(dòng)IC（搭配輻射硬化型MOSFET）
  **器件作用：**提供同步整流控制，使得同步MOSFET開關(guān)時(shí)序與功率MOSFET柔性匹配，減小導(dǎo)通損耗與開關(guān)瞬態(tài)。
  **選型理由：**該IC具備可編程死區(qū)時(shí)間、高精度交流驅(qū)動(dòng)、低功耗待機(jī)模式，同時(shí)兼容輻射硬化標(biāo)準(zhǔn)，適合航天電源管理需求。其快速驅(qū)動(dòng)能力可將MOSFET切換邊沿時(shí)間控制在幾十納秒以內(nèi)，減少高頻開關(guān)時(shí)的交越失真，降低EMI源頭。

?（二）磁性元件

磁性元件包括功率變壓器、耦合電感、差模電感、共模電感等，應(yīng)選用具備低漏感、低損耗、高耐壓、耐高溫、耐輻射等特性的航天級(jí)封裝。優(yōu)選型號(hào)如下：

• 型號(hào)：Coilcraft XEL8030系列磁性元件（Rad-hard Power Transformer）
  **器件作用：**在隔離型DC-DC模塊中，用作高頻隔離變壓器，實(shí)現(xiàn)等級(jí)轉(zhuǎn)換及隔離功能。
  **選型理由：**XEL8030系列采用陶瓷骨架結(jié)構(gòu)，繞組線徑精細(xì)，可減少繞組寄生電容；在200kHz至1MHz頻率范圍內(nèi)工作損耗低，漏感小于5nH；同時(shí)具備航天級(jí)輻射硬化認(rèn)證，工作溫度范圍-55°C至125°C，適用于嚴(yán)苛環(huán)境。

• 型號(hào)：TDK ACT45B-XH共模電感
  **器件作用：**在DC-DC模塊的輸入及輸出濾波網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)共模干擾抑制，減少開關(guān)噪聲向母線傳導(dǎo)。
  **選型理由：**該器件采用高導(dǎo)磁率的鎳鋅材料，飽和電流高達(dá)3A，可在100kHz至30MHz的頻帶范圍內(nèi)提供≥40dB共模衰減；體積小、溫度特性穩(wěn)定，輻射等級(jí)滿足航天應(yīng)用需求。

• 型號(hào)：Vishay IHLP2525C-01S系列差模電感
  **器件作用：**實(shí)現(xiàn)差模電流的濾波抑制，減少電源模塊對(duì)輸入與輸出線的差模噪聲。
  **選型理由：**IHLP2525C-01S采用無(wú)鉛焊盤，磁心材料選用低損耗合金，在-55°C至150°C溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，飽和電流可達(dá)4A，漏感小于10nH，適合高頻率開關(guān)電路的差模抑制。

?（三）濾波電容

濾波電容要兼顧低ESR、低等效串聯(lián)電感（ESL）、耐高溫、耐輻射等特點(diǎn)，常選用多層陶瓷電容、鐵電電容（C0G、X7R等）以及固態(tài)鉭電容組合。典型優(yōu)選型號(hào)如下：

• 型號(hào)：Murata GRM21BD80J106ME84L（陶瓷電容，10μF，50V，X7R）
  **器件作用：**作為高頻輸入濾波與局部DC母線旁路電容，抑制高頻開關(guān)尖峰及寄生振蕩。
  **選型理由：**GRM21BD80J106ME84L在軍工及航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有極低的ESR（≈1mΩ）和ESL（<1nH），可以在高達(dá)1MHz頻率范圍內(nèi)有效濾波；X7R介質(zhì)保證了在-55°C至125°C溫度變化時(shí)電容量變化小于±15%，輻射穩(wěn)定性良好。

• 型號(hào)：Vishay T498X927M006ATE050（鉭固態(tài)電容，100μF，6.3V，A級(jí)輻射硬化）
  **器件作用：**用于輸出端的中低頻濾波，保證輸出紋波滿足要求，同時(shí)在瞬態(tài)負(fù)載變化時(shí)提供充足電流。
  **選型理由：**該型號(hào)具備AEC-Q200認(rèn)證及輻射硬化等級(jí)，可承受100krad(Si) Total Ionizing Dose（TID）；固態(tài)鉭結(jié)構(gòu)保證了極低的ESR（<20mΩ），可在-55°C至125°C溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

• 型號(hào)：KEMET C4AE47VCG5W5U105K050BA（多層陶瓷電容，1μF，50V，C0G）
  **器件作用：**在開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路與功率級(jí)旁路中，用于抑制極快邊沿尖峰。
  **選型理由：**C0G介質(zhì)電容的介電常數(shù)溫度系數(shù)極低，容量穩(wěn)定度優(yōu)異，ESL極小（<0.5nH），適合作為高頻補(bǔ)償與吸收電容使用，且具備航天級(jí)輻射認(rèn)證。

?（四）濾波電阻與吸收網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于RCD緩沖及RC吸收網(wǎng)絡(luò)，需要選用耐高壓、低寄生參數(shù)的精密電阻與高頻吸收能力強(qiáng)的電阻電容組合。優(yōu)選如下型號(hào)：

• 型號(hào)：Vishay Dale RHシリーズ（薄膜電阻，精度1%，150°C，輻射硬化）
  **器件作用：**在功率MOSFET漏端實(shí)現(xiàn)RC snubber網(wǎng)絡(luò)時(shí)，與高頻電容并聯(lián)，吸收開關(guān)尖峰能量，降低振鈴電壓。
  **選型理由：**RH系列薄膜電阻具有低溫度系數(shù)（±50ppm/°C）、高耐壓（最高可達(dá)500V）、低電感（<0.5nH），且經(jīng)過(guò)輻射硬化處理，符合MIL-STD-20278Kradiation Hardness要求。

• 型號(hào)：AVX 4224G104MQEAT2A（高頻吸收電容，0.1μF，50V，X7R）
  **器件作用：**與RH薄膜電阻配合組成RC緩沖回路，直接并聯(lián)在MOSFET開關(guān)極隅或輸出端，抑制dv/dt引起的尖峰。
  **選型理由：**該型號(hào)ESR低（<5mΩ），ESL小（<0.3nH），能在10MHz以上頻率范圍內(nèi)工作良好，同時(shí)具備耐輻射能力，穩(wěn)定性高。

?（五）磁珠與共模濾波器

磁珠及共模濾波器可以在PCB布局中進(jìn)一步抑制射頻噪聲向內(nèi)部母線及外部線路傳導(dǎo)。優(yōu)選如下型號(hào)：

• 型號(hào)：Murata BLM21BD102SN1D（鐵氧體磁珠，100Ω@100MHz，0603封裝）
  **器件作用：**在關(guān)鍵信號(hào)線或電源線串聯(lián)，抑制中高頻噪聲，特別是100MHz至1GHz頻段的窄帶干擾。
  **選型理由：**該磁珠具有低DC電阻（<0.02Ω），可承受2A連續(xù)電流，在航天領(lǐng)域已有成熟應(yīng)用，輻射穩(wěn)定性良好。

• 型號(hào)：TDK ACT4514-201-2P（共模電感，2相隔離，1A/A相，適用于12V母線）
  **器件作用：**在輸入與輸出線路之間提供共模抑制，實(shí)現(xiàn)差模與共模信號(hào)的分離，用于輸入濾波單元。
  **選型理由：**ACT4514-201-2P在10kHz至30MHz頻段有良好衰減性能，可耐受-55°C至125°C溫度，耐輻射等級(jí)滿足MIL-STD-461G要求，且體積小、漏感低。

?（六）金屬屏蔽與隔離材料

在電磁兼容設(shè)計(jì)中，金屬屏蔽罩、電磁隔離板及高導(dǎo)電性屏蔽漆等材料是抑制結(jié)構(gòu)輻射的重要手段。優(yōu)選如下材料：

• 型號(hào)：MuRata EMI Shielding Can ESPI-0302-60-AU（鍍金覆蓋的金屬屏蔽罩）
  **器件作用：**覆蓋在DC-DC模塊關(guān)鍵開關(guān)與濾波電路之上，將輻射噪聲隔離于外部空間；同時(shí)通過(guò)金屬外殼與基板焊盤實(shí)現(xiàn)等電位連接。
  **選型理由：**該屏蔽罩厚度僅為0.6mm，重量輕且導(dǎo)電涂層厚度大于10μm，屏蔽效能可達(dá)50dB@1GHz；適合航天級(jí)環(huán)境，耐振動(dòng)、耐高低溫循環(huán)，不易脫落。

• 型號(hào)：Laird Technologies 25RPTK44（EMI吸收材料，厚度0.5mm）
  **器件作用：**貼敷在核心開關(guān)器件（如MOSFET、變壓器）與屏蔽罩之間，吸收高頻電磁能量，減少反射與腔體駐波。
  **選型理由：**25RPTK44材料具有寬帶吸收特性（100MHz至5GHz），溫度穩(wěn)定性在-55°C至125°C范圍內(nèi)，耐輻射等級(jí)適合航天需求，且壓縮性能好，方便在緊湊空間中使用。

?（七）連接器與接地組件

航天DC-DC模塊的輸入輸出通常通過(guò)阻燃、耐振動(dòng)并滿足EMI屏蔽要求的高密度連接器完成，與模塊接地的鈦合金底座或鋁合金外殼需保證良好接觸。優(yōu)選如下：

• 型號(hào)：Micro-D D38999 Series III（高密度微型圓形連接器）
  **器件作用：**用于輸入、輸出及信號(hào)控制接口，保證電氣性能、屏蔽性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
  **選型理由：**D38999 Series III支持1000+次插拔循環(huán)，具有全金屬殼體、屏蔽蓋，對(duì)電磁干擾具有良好抑制能力，且適應(yīng)-65°C至200°C。

• 接地組件：BERNSTEIN 05-02-01（鋁合金接地母線座）
  **器件作用：**將模塊內(nèi)部各接地點(diǎn)匯集至機(jī)箱底板，形成單點(diǎn)或多點(diǎn)接地方式，減少環(huán)路電感。
  **選型理由：**該接地座內(nèi)置高純度銅鍍鎳材料，導(dǎo)電性好，結(jié)構(gòu)牢固，適用于航天高振動(dòng)環(huán)境，可承載10A以上電流，滿足整機(jī)接地需求。

四、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與EMC優(yōu)化策略

在具體DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇上，EMC性能與拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)。常見的航天器DC-DC模塊拓?fù)浒ㄈN典型形式：非隔離降壓（Buck）、非隔離升壓（Boost）、以及隔離型正激/反激（Flyback/Forward）或半橋/全橋架構(gòu)。不同拓?fù)湓贓MI源、濾波難度與效率表現(xiàn)上各有特色，以下分別討論其EMC優(yōu)化策略。

?（一）非隔離降壓（Buck）拓?fù)?/strong>

非隔離降壓拓?fù)浼軜?gòu)簡(jiǎn)單、效率高，因無(wú)隔離變壓器可減少體積與重量，但開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓跳變幅度大，容易成為EMI噪聲源。在EMC設(shè)計(jì)中，主要優(yōu)化策略包括：

1. 軟開關(guān)技術(shù)：由于傳統(tǒng)硬開關(guān)Buck在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生較大dv/dt，易引發(fā)極大尖峰電壓；可采用同步整流與提前關(guān)斷策略，或在高頻段并聯(lián)RC或RCD網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鉗位，使關(guān)斷電壓斜率減小，從而減少輻射EMI。

2. 布局優(yōu)化：將功率開關(guān)管、二極管或同步整流MOSFET與功率電感緊湊布局，保證開關(guān)環(huán)路面積最小；輸入側(cè)濾波與輸出旁路電容應(yīng)盡可能靠近開關(guān)管布局，縮短回流路徑。

3. 輸入濾波：在輸入端采用LC、C-LC或π型濾波結(jié)構(gòu)。優(yōu)選采用Rad-hard共模電感（如TDK ACT45B-XH）與低ESR陶瓷電容（Murata GRM21BD80J106ME84L）組合形成差模與共模濾波，滿足傳導(dǎo)發(fā)射抑制要求。

4. 接地與層壓設(shè)計(jì)：PCB應(yīng)采用多層結(jié)構(gòu)，底層鋪銅做固體大面積接地，信號(hào)層走線保持與地層平行，且開關(guān)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離敏感信號(hào)線。所有電流匯流點(diǎn)應(yīng)盡量靠近共地，并采用單點(diǎn)或多點(diǎn)混合接地方式。

5. 屏蔽罩與吸收材料：在模塊最終階段可在開關(guān)核心放置金屬屏蔽罩（如MuRata ESPI-0302-60-AU）并在內(nèi)部關(guān)鍵器件與罩之間貼敷Laird 25RPTK44吸收片，以降低輻射。

?（二）非隔離升壓（Boost）拓?fù)?/strong>

升壓拓?fù)渑c降壓拓?fù)漕愃疲_關(guān)節(jié)點(diǎn)常見于輸入側(cè)接地，通過(guò)電感與開關(guān)管交替導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)升壓；由于開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓向地躍變，對(duì)地面及其他子系統(tǒng)電磁環(huán)境影響較大，EMC優(yōu)化重點(diǎn)為：

1. 選擇低寄生參數(shù)電感：優(yōu)選Coilcraft XEL6020系列無(wú)磁屏蔽電感或TDK的高飽和電流差模電感，以減少開關(guān)尖峰的振鈴及寄生輻射；電感盡可能選用磁芯飽和起始電流高、漏感極小的型號(hào)。

2. 開關(guān)MOSFET驅(qū)動(dòng)控制：采用Abrupt turn-on/off關(guān)鍵技術(shù)，將開關(guān)管關(guān)斷瞬態(tài)時(shí)間進(jìn)行定向優(yōu)化，通過(guò)RC緩沖及RCD網(wǎng)絡(luò)（如Vishay RH薄膜電阻＋AVX吸收電容）實(shí)現(xiàn)局部鉗位，減小開關(guān)結(jié)電壓超調(diào)與振鈴。

3. 輸出濾波：在輸出側(cè)采用多層陶瓷電容與鉭電容組合濾波（Murata GRM31CR60J106ME19/ Vishay T498X927M006ATE050），提高中低頻濾波能力，消除紋波電壓對(duì)后續(xù)負(fù)載的影響。

4. PCB走線：將功率電感與開關(guān)管盡量靠近，縮短串聯(lián)電感路徑，將高頻開關(guān)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)離敏感模擬電路；輸入側(cè)大電流地回流應(yīng)在地層鋪銅并直接直進(jìn)入涂覆有低阻抗導(dǎo)電漆的金屬底座。

?（三）隔離型正激/反激拓?fù)洌‵lyback/Forward）

隔離型拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于輸入與輸出電氣隔離，可實(shí)現(xiàn)不同母線電壓側(cè)的電壓轉(zhuǎn)換并且具備較強(qiáng)的抗干擾能力，但鐵芯變壓器與耦合電感將成為EMI輻射源，設(shè)計(jì)難度高。常見EMC優(yōu)化策略包括：

1. 高頻變壓器設(shè)計(jì)：變壓器需要采用低損耗、高飽和電流密度的磁芯材料，如Amidon的43或3C90鐵粉芯，并保證繞組間隔充分減少寄生電容；次級(jí)繞組與初級(jí)繞組之間應(yīng)加設(shè)雙面聚酰亞胺薄膜隔離墊，降低共模耦合，減少對(duì)地漏流。

2. 隔離柵極驅(qū)動(dòng)：在隔離開關(guān)管（如鉗位開關(guān)或半橋/全橋結(jié)構(gòu)）上使用光耦隔離或基于SiC/GaN的高頻隔離驅(qū)動(dòng)（例如Texas Instruments ISO5451），保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)源與功率級(jí)隔離并抑制共模噪聲回流。

3. 輸入與輸出雙重濾波：針對(duì)隔離拓?fù)洌斎胪ǔ０才挪钅：凸材V波器組合（如TDK ACT45B-XH共模電感與Vishay IHLP2525C-01S差模電感），輸出側(cè)也需再配以π型輸出濾波，確保漏感與繞組耦合噪聲不外泄。

4. 屏蔽隔離罩：飛行器級(jí)隔離變壓器可加裝鋁合金屏蔽罩并與模塊殼體直接焊接，通過(guò)專用導(dǎo)電膠與接地平面接觸，降低變壓器高頻輻射。內(nèi)部刷涂吸收材料（Laird 25RPTK44）實(shí)現(xiàn)雙重屏蔽。

5. 共模電感布置：將初級(jí)與次級(jí)繞組的回流地線配合共模電感布置于變壓器外殼附近，通過(guò)合理路由減小共模環(huán)路面積，將共模噪聲直接繞組至接地層。

?（四）半橋／全橋拓?fù)?/strong>

對(duì)于高功率需求的航天器DC-DC模塊，往往采用半橋或全橋拓?fù)渑浜隙嗉?jí)譜軟開關(guān)（SVPWM或零電流開關(guān)ZCS）技術(shù)，以提高效率并降低EMI。在EMC設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1. 橋臂開關(guān)同步控制：應(yīng)用數(shù)字控制器（如TI C2000系列數(shù)字信號(hào)控制器帶內(nèi)置PWM模塊）對(duì)橋臂開關(guān)進(jìn)行精確同步控制，保證正反橋臂不會(huì)出現(xiàn)交越導(dǎo)通，從而在切換瞬間減小電壓尖峰與振鈴。

2. DC鏈路電容布置：在橋臂兩端的DC鏈路電容（一般選擇多個(gè)Murata GRM32ER61H226KE19L 22μF/100V陶瓷電容并聯(lián)）需要分布在靠近開關(guān)管的PCB層面，以提供充足的瞬態(tài)電流并抑制環(huán)路寄生電感。

3. 星形布局與大功率地線層：PCB采用至少4層以上結(jié)構(gòu)，將橋臂開關(guān)、功率電感及二極管或同步MOSFET集中在一層，將地回流層作為鋪銅大面積，形成等電位回流，降低共模電流的干擾路徑。

4. 軟開關(guān)諧振網(wǎng)絡(luò)：在橋臂與功率變壓器之間添加諧振電容與串聯(lián)電感，構(gòu)成LLC諧振架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流切換，有效將高頻諧振能量限制在特定頻帶，減少高頻噪聲輻射。

5. 多級(jí)EMI濾波：橋臂輸出側(cè)需加設(shè)R-C吸收網(wǎng)絡(luò)（如Vishay RH12＋AVX 4224G104MQEAT2A）并配合多級(jí)磁性濾波器（Coilcraft XEL6030共模電感 + Vishay IHLP2525C差模電感），形成從低頻至高頻的全譜濾波覆 蓋。

五、EMC仿真與驗(yàn)證手段

航天器DC-DC模塊的EMC驗(yàn)證分為仿真仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試兩大部分。針對(duì)仿真，需利用PCB電磁仿真工具（如ANSYS HFSS、CST Microwave Studio、Cadence Sigrity）對(duì)以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行建模與仿真分析，以優(yōu)化設(shè)計(jì)并縮短研制周期。

?（一）PCB電源回路仿真

采用電路EMI仿真工具（例如Cadence Sigrity PowerSI）對(duì)整個(gè)電源回路進(jìn)行時(shí)域與頻域仿真，重點(diǎn)提取開關(guān)環(huán)路的等效寄生參數(shù)（寄生電感、寄生電容、互感）并計(jì)算回流電流路徑。通過(guò)時(shí)域仿真獲取開關(guān)過(guò)程中的電壓電流波形、尖峰幅度與dv/dt值，結(jié)合導(dǎo)體紋波電流進(jìn)行頻域快速傅里葉變換，得到EMI譜分布。若發(fā)現(xiàn)高頻諧波分量超過(guò)目標(biāo)抑制值，則需在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)添加RC/RCD電路或優(yōu)化布局。

?（二）3D電磁場(chǎng)仿真

利用HFSS或CST對(duì)含有金屬屏蔽罩的模塊進(jìn)行3D電磁仿真建模，模擬實(shí)際殼體、PCB結(jié)構(gòu)與連接器，獲取主要輻射源位置及輻射泄漏路徑。重點(diǎn)環(huán)節(jié)包括：

1. 屏蔽罩縫隙耦合分析：仿真罩體接縫處的場(chǎng)分布與泄露電流，評(píng)估縫隙距離與接觸壓力對(duì)屏蔽效能的影響，必要時(shí)加入EMI屏蔽膠帶或增大蓋合力。

2. 共模電流分布仿真：將模塊與外殼接地及機(jī)箱地面進(jìn)行耦合，分析共模電流沿外殼與母線回路的分布情況，確定最優(yōu)接地點(diǎn)以減小地環(huán)路感應(yīng)電壓。

3. 變壓器與導(dǎo)體干涉：對(duì)變壓器鐵芯與附近銅箔、信號(hào)線間的耦合場(chǎng)進(jìn)行仿真，分析高頻磁場(chǎng)在鐵芯外輻射范圍。若輻射量超標(biāo)，可在變壓器周圍增加吸波材料或調(diào)整繞組方向降低寄生耦合。

?（三）時(shí)域有限差分（FDTD）仿真

對(duì)于射頻段高達(dá)數(shù)GHz的干擾信號(hào)，可利用FDTD仿真工具（如XFdtd）對(duì)模塊進(jìn)行高頻時(shí)域諧射仿真，分析在開關(guān)管開關(guān)瞬態(tài)時(shí)產(chǎn)生的尖峰電場(chǎng)/磁場(chǎng)如何在模塊內(nèi)部傳播與輻射。結(jié)合輻射天線模式仿真，評(píng)估模塊整體的天線特性，確定關(guān)鍵消除方向。

?（四）諧振與雜散振動(dòng)分析

采用SPICE模型或Matlab/Simulink對(duì)開關(guān)環(huán)路進(jìn)行諧振頻率分析，識(shí)別潛在的二次諧振或多余諧振模式。通過(guò)調(diào)整電感與電容參數(shù)、組合串聯(lián)電阻等方式，將諧振頻率移至系統(tǒng)非敏感頻帶或進(jìn)行阻尼處理，有助于降低實(shí)測(cè)EMI水平。

六、PCB布局與接地設(shè)計(jì)

PCB布局與接地對(duì)EMC性能有著至關(guān)重要的影響，尤其在高頻開關(guān)場(chǎng)景中，任何過(guò)長(zhǎng)或過(guò)彎曲的參量路徑都可能成為EMI發(fā)射源。以下總結(jié)模塊級(jí)PCB布線與接地關(guān)鍵策略：

?（一）多層板設(shè)計(jì)與堆疊順序

建議采用至少四層板結(jié)構(gòu)，層序可參考以下示例：頂層（T1）為器件與信號(hào)層，T2為內(nèi)層接地層（Plane GND），T3為內(nèi)層電源層（Plane VCC），底層（B1）為信號(hào)與接地混合層。這樣布局可實(shí)現(xiàn)：開關(guān)回路之上擁有完整的地層，形成低阻抗回流路徑；電源層靠近地層實(shí)現(xiàn)電源旁路與回流耦合；關(guān)鍵信號(hào)走線位于地平面之上，保證良好阻抗控制并降低環(huán)路感應(yīng)長(zhǎng)度。

?（二）關(guān)鍵回路面積最小化

開關(guān)管（VISHAY Si7828DP）與二極管或同步MOSFET之間、開關(guān)節(jié)點(diǎn)至功率電感間的連接走線應(yīng)盡可能短且寬，以減小串聯(lián)寄生電感；輸入旁路電容（Murata GRM21BD80J106ME84L）要緊貼輸入電源管腳布設(shè)，輸出旁路電容（Vishay T498X927M006ATE050）需靠近負(fù)載反饋點(diǎn)。回流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與輻射與路徑面積呈正相關(guān)，故關(guān)鍵環(huán)路面積要小于1mm2為佳。

?（三）分割模擬與數(shù)字回路

將模擬控制信號(hào)（如PWM采樣、參考基準(zhǔn)）與大電流開關(guān)回路分區(qū)布置，通過(guò)接地隔離或屏蔽措施避免數(shù)字切換噪聲直耦合至模擬前端。對(duì)于含集中式ADC測(cè)量、環(huán)路補(bǔ)償?shù)劝遢d控制器，布局時(shí)需遵循“近輸入、遠(yuǎn)輸出、分離地回流”原則，并在地層設(shè)置隔離隔斷，將數(shù)字系統(tǒng)與功率系統(tǒng)的接地隔離區(qū)域明確分開。

?（四）接地策略與鉚接要求

在航天應(yīng)用中，通常采取“單點(diǎn)——多點(diǎn)混合接地”方式。關(guān)鍵功率元器件（開關(guān)管、二極管、功率電感等）所產(chǎn)生的參量回流電流匯集于一個(gè)最優(yōu)接地點(diǎn)（通常位于電源引入母線端），然后通過(guò)厚銅箔直接過(guò)渡到結(jié)構(gòu)底板或機(jī)箱殼體；其他零星數(shù)字/模擬小信號(hào)地通過(guò)短而寬的走線匯集到地平面，經(jīng)單一點(diǎn)或適當(dāng)多點(diǎn)分區(qū)接地。需注意焊盤與螺栓連接處的金屬表面需進(jìn)行鍍金或鎳處理，保證接觸電阻＜1mΩ，以減少接觸噪聲。地平面應(yīng)鋪滿整塊PCB底層，以減小對(duì)地阻抗，并確保與金屬屏蔽罩有充分焊接觸點(diǎn)。

七、濾波與屏蔽方案

為了更高效地抑制開關(guān)噪聲對(duì)外界的影響，需要在DC-DC模塊中實(shí)施多級(jí)濾波與屏蔽措施，具體如下：

?（一）輸入端濾波

輸入端濾波應(yīng)從傳導(dǎo)干擾的源頭開始。根據(jù)MIL-STD-461G CS101/CS114/CS115/CS116等標(biāo)準(zhǔn)，航天器內(nèi)部母線通常是28V或120V DC母線，需要對(duì)輸入側(cè)的低頻（幾十kHz）與高頻（MHz～GHz）干擾分別進(jìn)行濾波。典型濾波方案為：

1. 一級(jí)差模濾波：選用TDK或Vishay差模電感（如Vishay IHLP2525C-01S）和低ESR陶瓷電容（Murata GRM31CR60J106KE19L），形成LC差模濾波，抑制開關(guān)工作頻率及其諧波。

2. 二級(jí)共模濾波：采用TDK ACT45B-XH共模電感與兩個(gè)對(duì)稱電容構(gòu)成CM-LC濾波，可在100kHz至30MHz范圍提供≥40dB衰減，對(duì)母線共模噪聲有效消減。

3. 三級(jí)磁珠/RC吸收：在輸入電源線與地之間并聯(lián)Murata BLM21BD102SN1D磁珠，吸收中高頻噪聲；并在MOSFET源極與開關(guān)節(jié)點(diǎn)加設(shè)RCD緩沖（R：Vishay RH12系列，C：AVX 4224G104MQEAT2A），吸收開關(guān)尖峰。

?（二）輸出端濾波

輸出端濾波主要針對(duì)負(fù)載方的EMI傳導(dǎo)及終端紋波要求。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮負(fù)載類型（數(shù)字邏輯、射頻通信、姿控舵機(jī)等）對(duì)電源紋波與噪聲敏感度，典型方案如下：

1. 二級(jí)LC濾波：輸出端首先并聯(lián)一組鉭固態(tài)電容（Vishay T498X927M006ATE050，100μF/6.3V）用于中低頻濾波，再并聯(lián)多個(gè)陶瓷電容（Murata GRM21BD80J106ME84L）以處理高頻分量，配合差模電感（如Vishay IHLP2525C-01S）形成LC濾波網(wǎng)絡(luò)。

2. 終端RC濾波：靠近敏感模塊的電源輸入處可加裝一個(gè)小電阻（120mΩ～1Ω）與陶瓷電容（1μF～10μF）組成局部RC濾波，進(jìn)一步降低對(duì)敏感負(fù)載的瞬態(tài)沖擊。

3. 輸出共模濾波：若輸出線長(zhǎng)或負(fù)載在距離模塊一定距離處，應(yīng)增設(shè)共模電感（如TDK ACT4514-201-2P）與兩個(gè)對(duì)稱電容構(gòu)成CM-LC濾波，防止地線回路泄露共模噪聲。

?（三）模塊屏蔽策略

在整體電磁兼容方案中，屏蔽罩與吸收材料是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。具體措施包括：

1. 全覆蓋金屬屏蔽罩：采用MuRata ESPI-0302-60-AU金屬屏蔽罩覆蓋整個(gè)DC-DC模塊，當(dāng)內(nèi)部元器件經(jīng)電鍍或抑振涂層處理后，與罩壁實(shí)現(xiàn)牢固接觸，可實(shí)現(xiàn)50dB以上@1GHz的輻射隔離。

2. 內(nèi)部局部吸收層：在屏蔽罩內(nèi)部四周貼敷Laird 25RPTK44 EMI吸收材料，可在100MHz～5GHz范圍內(nèi)有效吸收輻射能量，減少內(nèi)部反射。

3. 變壓器雙重屏蔽：對(duì)于隔離型拓?fù)洌鏔lyback或Forward變壓器，在繞組外部增加銅箔或鎳鈷合金箔纏繞半包制程，并在外層罩上接地層，減少繞組之間的寄生成環(huán)路，避免高頻漏磁輻射。

4. 接口處金屬拉環(huán)與扣具：在DC-DC模塊連接器側(cè)（Micro-D D38999 Series III）配備金屬屏蔽拉環(huán)，通過(guò)整體金屬外殼與機(jī)箱地面一體化，避免接口縫隙泄漏并提供穩(wěn)定接地。

八、熱管理與EMC協(xié)同設(shè)計(jì)

在高功率密度的航天DC-DC模塊中，熱管理與EMC設(shè)計(jì)常常互相關(guān)聯(lián)。過(guò)高的器件溫度不僅會(huì)影響元件寄生參數(shù)（如ESR、R_DS(on)）而加劇EMI問(wèn)題，也會(huì)降低器件可靠性。因此，需要在設(shè)計(jì)中綜合考慮熱散與EMC性能：

?（一）散熱器與熱墊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)良好的散熱，可在功率開關(guān)器件及磁性元件處加裝輻射散熱片或?qū)釅|。常用材料有航空級(jí)石墨片（如Phase Change Thermal Interface Material）和聚合物填充鋁基板（AMG熱基板）。在安裝熱墊時(shí)必須確保其與金屬屏蔽罩或機(jī)箱殼體形成穩(wěn)定導(dǎo)熱路徑，并不會(huì)破壞屏蔽罩與PCB接地的連續(xù)性。

?（二）PCB熱銅鋪設(shè)

在PCB布局時(shí)，針對(duì)大功率發(fā)熱元件，如MOSFET、同步整流管、磁性元件等區(qū)域應(yīng)加大多層銅鋪設(shè)，利用內(nèi)層銅層作為散熱層，同時(shí)將熱點(diǎn)區(qū)域借助過(guò)孔（Thermal Via）與底層鋁基板或機(jī)箱散熱殼體連接。這樣一方面保證熱阻下降，另一方面也保持地平面完整，減少電磁噪聲漏散。

?（三）熱—EMI仿真聯(lián)合優(yōu)化

利用CFD（Computational Fluid Dynamics）與電磁仿真集成軟件（如ANSYS Icepak + HFSS聯(lián)合仿真）評(píng)估模塊在典型工作負(fù)載（25°C環(huán)境下輸出額定功率的80%）時(shí)的溫度分布與EMI輻射水平。若溫升過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電容容量衰減或磁性元件飽和，從而引發(fā)諧振及EMI峰值；在仿真結(jié)果基礎(chǔ)上可適當(dāng)調(diào)整風(fēng)道導(dǎo)流結(jié)構(gòu)或增加導(dǎo)熱過(guò)孔數(shù)量，維持EMI與熱性能之間的平衡。

九、EMC實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證方法

在設(shè)計(jì)階段完成后，必須進(jìn)行一系列基于航天標(biāo)準(zhǔn)的EMI/EMS測(cè)試，以驗(yàn)證DC-DC模塊在實(shí)際環(huán)境中的兼容性能。主要測(cè)試項(xiàng)目及對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)如下：

?（一）傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試（Conducted Emissions）

依據(jù)MIL-STD-461G CS101（低頻傳導(dǎo)發(fā)射，10kHz～10MHz）與CS114（高頻傳導(dǎo)發(fā)射，10kHz～200MHz）要求進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試環(huán)境需在帶通或帶阻網(wǎng)絡(luò)的接地平面上，以負(fù)載接收終端為受測(cè)對(duì)象，采用頻譜分析儀或EMI接收機(jī)測(cè)量傳導(dǎo)噪聲幅度，并與限值曲線進(jìn)行比較。常見優(yōu)化手段：調(diào)整輸入濾波共模感量、輸出濾波二階LC濾波、增加磁珠吸收等。

?（二）輻射發(fā)射測(cè)試（Radiated Emissions）

依據(jù)MIL-STD-461G RE102（30MHz～1GHz）與RE103（1GHz～40GHz）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。將DC-DC模塊在電纜長(zhǎng)度不超過(guò)80cm無(wú)源負(fù)載條件下，放置于消聲室8m或10m標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量距離，采用雙極化天線測(cè)量空間輻射信號(hào)，確認(rèn)是否滿足限值曲線要求。若發(fā)現(xiàn)某一頻段輻射超標(biāo)，應(yīng)結(jié)合EMI定位探頭與示波器進(jìn)行源識(shí)別，補(bǔ)充或優(yōu)化屏蔽、增加內(nèi)部吸波材料、或?qū)CB走線進(jìn)行局部重布線。

?（三）電快速瞬變（EFT）與浪涌抗擾度測(cè)試

根據(jù)MIL-STD-461G CS116（EFT，5kHz～100kHz脈沖串）與CS118（浪涌，正負(fù)脈沖）測(cè)試要求，在輸入端施加典型±2kV EFT脈沖或±1kV浪涌，評(píng)估DC-DC模塊在遭受擾動(dòng)時(shí)的輸出穩(wěn)態(tài)、保護(hù)電路響應(yīng)能力以及可能產(chǎn)生的失步、鎖定或保護(hù)觸發(fā)。若模塊不能通過(guò)測(cè)試，可考慮在輸入端增加更高能量吸收能力的TVS二極管（如ON Semiconductor SM8S33A）、或在關(guān)鍵線纜端口加裝濾波器。

?（四）靜電放電（ESD）抗擾度測(cè)試

依據(jù)ISO 10605或MIL-STD-3015-7，對(duì)模塊外殼、接口處施加人體模型（HBM）或接觸模型靜電脈沖（±8kV～±15kV）測(cè)試，評(píng)估對(duì)模塊控制邏輯及輸出紋波的影響。若出現(xiàn)死機(jī)或輸出紊亂，可在接口端增加TBU（Transient Blocking Unit）或插片式ESD保護(hù)器（如Semtech ESDA6V1Eq），并在鏈路中使用Murata BLM18EG221SN1D等大電流磁珠實(shí)現(xiàn)分段抑制。

十、結(jié)論與展望

本方案深入探討了航天器DC-DC模塊EMC設(shè)計(jì)的各個(gè)要素，涵蓋從整體EMC設(shè)計(jì)思路、典型拓?fù)銭MC優(yōu)化、關(guān)鍵器件選型及型號(hào)推薦、PCB布局與接地策略、熱管理協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證方法到實(shí)驗(yàn)測(cè)試依據(jù)的全流程。通過(guò)多層次、多手段的手段實(shí)現(xiàn)“源頭抑制、傳輸隔離、末端濾波、屏蔽圍堵”的設(shè)計(jì)原則，以滿足航天級(jí)DC-DC模塊在嚴(yán)苛電磁環(huán)境下的可靠性與低干擾需求。優(yōu)選器件如VISHAY Si7828DP輻射硬化MOSFET、CREE CGH60R065D SiC MOSFET、Coilcraft XEL8030電源變壓器、TDK ACT45B-XH共模電感、Murata GRM21BD80J106ME84L陶瓷電容、Vishay T498X927M006ATE050固態(tài)鉭電容、Murata BLM21BD102SN1D磁珠等，都具備低寄生參數(shù)、耐輻射、耐高溫特性，是航天EMC設(shè)計(jì)不可或缺的核心元器件。

在未來(lái)，高效能、高密度、小體積和更高可靠性要求繼續(xù)推動(dòng)DC-DC模塊技術(shù)革新，如GaN/SiC器件在航天開關(guān)電源中的應(yīng)用將更加廣泛；結(jié)合更先進(jìn)的磁性材料與柔性電路技術(shù)，進(jìn)一步降低寄生參數(shù)；同時(shí)，射頻隔離技術(shù)（如光電隔離、數(shù)字隔離器）有望在敏感領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)更完善的EMC控制。通過(guò)持續(xù)的仿真模型更新、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)升級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)迭代，航天器DC-DC模塊的EMC設(shè)計(jì)將不斷向更高性能、更強(qiáng)穩(wěn)定性和更低成本的方向演進(jìn)，為航天電子系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)的電磁兼容保障。