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      高頻開關電源的電磁兼容設計方案

      -2020-03-24-

        如果高頻開關電源自身存在的電磁騷擾(EMI)問題處理不好,不僅容易對電網造成污染,直接影響其他用電設備的正常工作,而且傳入空間也易形成電磁污染,由此產生了高頻開關電源的電磁兼容(EMC)問題。本文重點對鐵路信號電源屏使用的1200W(24V/50A)高頻開關電源模塊所存在的電磁騷擾超標問題進行分析,并提出改進措施。

        高頻開關電源產生的電磁騷擾可分為傳導騷擾和輻射騷擾兩大類。傳導騷擾通過交流電源傳播,頻率低于30MHz;輻射騷擾通過空間傳播,頻率在30~1000MHz。

        1、高頻開關電源的電路結構

        高頻開關電源的主拓撲電路原理,如圖1所示。

          

        2、高頻開關電源電磁騷擾源的分析

        在圖1a電路中的整流器、功率管Q1,在圖1b電路中的功率管Q2~Q5、高頻變壓器T1、輸出整流二極管D1~D2都是高頻開關電源工作時產生電磁騷擾的主要騷擾源,具體分析如下。

        整流器整流過程產生的高次諧波會沿著電源線產生傳導騷擾和輻射騷擾。

        開關功率管工作在高頻導通和截止的狀態,為了降低開關損耗,提高電源功率密度和整體效率,開關管的打開和關斷的速度越來越快,一般在幾微秒,開關管以這樣的速度打開和關斷,形成了浪涌電壓和浪涌電流,會產生高頻高壓的尖峰諧波,對空間和交流輸入線形成電磁騷擾。

        高頻變壓器T1進行功率變換的同時,產生了交變的電磁場,向空間輻射電磁波,形成了輻射騷擾。變壓器的分布電感和電容產生振蕩,并通過變壓器初次級之間的分布電容耦合到交流輸入回路,形成傳導騷擾。

        在輸出電壓比較低的情況下,輸出整流二極管工作在高頻開關狀態,也是一種電磁騷擾源。

        由于二極管的引線寄生電感、結電容的存在以及反向恢復電流的影響,使之工作在很高的電壓和電流變化率下,二極管反向恢復的時間越長,則尖峰電流的影響也越大,騷擾信號就越強,由此產生高頻衰減振蕩,這是一種差模傳導騷擾。

        所有產生的這些電磁信號,通過電源線、信號線、接地線等金屬導線傳輸到外部電源形成傳導騷擾。通過導線和器件輻射或通過充當天線的互連線輻射的騷擾信號造成輻射騷擾。

        3、針對高頻開關電源電磁騷擾的電磁兼容設計

        開關電源入口加電源濾波器,抑制開關電源所產生的高次諧波。

        輸入輸出電源線上加鐵氧體磁環,一方面抑制電源線內的高頻共模,另一方面減小通過電源線輻射的騷擾能量。

        電源線盡可能靠近地線,以減小差模輻射的環路面積;把輸入交流電源線和輸出直流電源線分開走線,減小輸入輸出間的電磁耦合;信號線遠離電源線,靠近地線走線,并且走線不要過長,以減小回路的環面積;PCB板上的線條寬度不能突變,拐角采用圓弧過渡,盡量不采用直角或尖角。電磁兼容測試設備

        對芯片和MOS開關管安裝去耦電容,其位置盡可能地靠近并聯在器件的電源和接地管腳。

        由于接地導線存在Ldi/dt,PCB板和機殼間接地采用銅柱連接,對不適合用銅柱連接的采用較粗的導線,并就近接地。

        在開關管以及輸出整流二極管兩端加RC吸收電路,吸收浪涌電壓。

        4、高頻開關電源電磁騷擾測試曲線

        在3m法電波暗室對試驗樣機進行測試,其L、N線的傳導騷擾檢測曲線如圖2、3所示,輻射騷擾的垂直極化掃描曲線如圖4、5所示。

          

        根據鐵路客運專線標準規定,傳導騷擾限值和輻射騷擾限值如表1、2所示。

            

        本開關電源一次通過了傳導騷擾的測試,測試波形如圖2、3所示。輻射騷擾高頻段230~1000MHz也測試合格,如圖5所示。只是在30~200MHz頻段范圍內的垂直極化指標超標,zui大超標20dB,如圖4所示。

        由測試結果可以看出,通過電磁兼容設計在傳導騷擾抑制方面取得了良好效果,在高頻段輻射騷擾的設計也達到了預期效果,下面還需對在30~200MHz頻段范圍內的輻射騷擾進行改進設計。

        5、高頻開關電源輻射騷擾的改進設計

        由圖4可以看出,本開關電源存在輻射騷擾超標的現象,為了抑制電磁騷擾而使用鐵氧體元件,價格便宜,效果明顯。鐵氧體元件等效電路是電感L和電阻R組成的串聯電路,L和R都是頻率的函數。低頻時,R很小,L起主要作用,電磁騷擾被反射而受到抑制;高頻時,R增大,電磁騷擾被吸收并轉換成熱能,使高頻騷擾大大衰減。不同的鐵氧體抑制元件,有不同的較佳抑制頻率范圍??傊?,選擇和安裝鐵氧體元件可參照如下幾條:

        鐵氧體的體積越大,抑制效果越好;

        在體積一定時,長而細的形狀比短而粗的抑制效果好;

        內徑越小抑制效果也越好;

        橫截面越大,越不易飽和;

        磁導率越高,抑制的頻率就越低;

        鐵氧體抑制元件應當安裝在靠近騷擾源的地方;

        在輸入、輸出導線上安裝時,應盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。

        根據上面對高頻開關電源騷擾源和鐵氧體元件的分析,決定在靠近騷擾源的地方套磁珠與磁環。圖1a中電容C1的接地端套鐵氧體磁珠(φ3.5×φ1.3×3.5),圖1b中整流二極管D1和D2使用肖特基二極管,其陽極套鐵氧體磁珠(φ3.5×φ1.3×3.5),直流輸出線纜用鐵氧體磁環(φ13.5×φ7.5×7)繞兩圈且靠近出口處。經過處理后重新測試,其掃描曲線如圖6所示。由此可見,大部分頻段的輻射騷擾已被抑制到標準要求以下,但在頻率81、138、165kHz附近處仍然超標。

          

        根據對開關電源電磁騷擾源的分析可知,在圖1b電路中高頻變壓器T1也是一個騷擾源。為了阻止高頻變壓器產生的騷擾信號以輻射方式發射,把變壓器的外殼用屏蔽材料銅箔環繞一圈構成一回路加以屏蔽,以切斷變壓器通過空間耦合形成的輻射騷擾傳播途徑。并且為了減少因變壓器一次側開通時電流瞬間突變產生的di/dt騷擾,在變壓器T1的一次側串進1個電感,以減小器件的開通損耗,降低輻射騷擾信號。經過整改后,輻射騷擾大大下降,再次對本電源輻射騷擾進行測試,完全達到了標準要求,其測試結果如圖7所示。

        6、結語

        隨著高頻開關電源等電子產品電磁兼容重要性的凸現,我們應該在產品設計初期階段,同時進行電磁兼容設計,此時結構和電路方案尚未定型,可選用的方法較多。如果等到生產階段再去解決,不但給技術和工藝上帶來很大難度,而且會造成人力、財力和時間的極大浪費。所以,要走出設計修改法的誤區,正確運用系統設計法。

        與EMI相關的因素多且復雜,僅做到上述的幾點措施是遠遠不夠的,還有接地技術、PCB布局走線等都很重要。電磁兼容的設計任重而道遠,我們要不斷進行研究探索,使我國的電子產品電磁兼容水平與國際同步。


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