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如何整改高频开关电源的EMC电磁兼容问题
时间:2022-04-23 08:26:54 点击次数:261

高频开关电源自身存在的电磁烦扰(EMI)问题假如处理不好,不只简略对电网构成污染,直接影响其他用电设备的正常作业,而且传入空间也易构成电磁污染,由此产生了高频开关电源的电磁兼容(EMC)问题。

文章关键对铁路信号电源屏运用的1200W(24V/50A)高频开关电源模块所存在的电磁烦扰超标问题进行分析,并提出改善办法。高频开关电源产生的电磁烦扰可分为传导烦扰和辐射烦扰两大类。传导烦扰经过交流电源传达,频率低于30MHz;辐射烦扰经过空间传达,频率在30~1000MHz。

1高频开关电源的电路结构

高频开关电源的主拓扑电路原理,如图1所示。

2高频开关电源电磁烦扰源的分析

在图1a电路中的整流器、功率管Q1,在图1b电路中的功率管Q2~Q5、高频变压器T1、输出整流二极管D1~D2都是高频开关电源作业时产生电磁烦扰的首要烦扰源,详细分析如下。

(1)整流器整流进程产生的高次谐波会沿着电源线产生传导烦扰和辐射烦扰。

(2)开关功率管作业在高频导通和截止的状况,为了下降开关损耗,前进电源功率密度和全体功率,开关管的翻开和关断的速度越来越快,一般在几微秒,开关管以这样的速度翻开和关断,构成了浪涌电压和浪涌电流,会产生高频高压的尖峰谐波,对空间和交流输入线构成电磁烦扰。

(3)高频变压器T1进行功率转换的一起,产生了交变的电磁场,向空间辐射电磁波,构成了辐射烦扰。变压器的分布电感和电容产生振动,并经过变压器初次级之间的分布电容耦合到交流输入回路,构成传导烦扰。

(4)在输出电压比较低的情况下,输出整流二极管作业在高频开关状态,也是一种电磁烦扰源。

由于二极管的引线寄生电感、结电容的存在以及反向恢复电流的影响,使之作业在很高的电压和电流变化率下,二极管反向恢复的时间越长,则尖峰电流的影响也越大,烦扰信号就越强,由此产生高频衰减振动,这是一种差模传导烦扰。

一切产生的这些电磁信号,经过电源线、信号线、接地线等金属导线传输到外部电源构成传导烦扰。经过导线和器件辐射或经过充当天线的互连线辐射的烦扰信号构成辐射烦扰。

3针对高频开关电源电磁烦扰的电磁兼容规划

(1)开关电源进口加电源滤波器,克制开关电源所产生的高次谐波。

(2)输入输出电源线上加铁氧体磁环,一方面克制电源线内的高频共模,另一方面减小经过电源线辐射的烦扰能量。

(3)电源线尽可能挨近地线,以减小差模辐射的环路面积;把输入交流电源线和输出直流电源线分开走线,减小输入输出间的电磁耦合;信号线远离电源线,挨近地线走线,而且走线不要过长,以减小回路的环面积;PCB板上的线条宽度不能突变,角落选用圆弧过渡,尽量不选用直角或尖角。

(4)对芯片和MOS开关管设备去耦电容,其方位尽可能地挨近并联在器件的电源和接地管脚。

(5)由于接地导线存在Ldi/dt,PCB板和机壳间接地选用铜柱联接,对不适合用铜柱联接的选用较粗的导线,并就近接地。

(6)在开关管以及输出整流二极管两端加RC吸收电路,吸收浪涌电压。

4高频开关电源电磁烦扰检验曲线

在3m法电波暗室对实验样机进行检验,其L、N线的传导烦扰检测曲线如图2、3所示,辐射烦扰的垂直极化扫描曲线如图4、5所示。

根据铁路客运专线标准规则,传导烦扰限值和辐射烦扰限值如表1、2所示。

本开关电源 经过了传导烦扰的检验,检验波形如图2、3所示。辐射烦扰高频段230~1000MHz也检验合格,如图5所示。只是在30~200MHz频段规模内的垂直极化目标超标, 超标20dB,如图4所示。

由检验效果可以看出,经过电磁兼容规划在传导烦扰克制方面取得了杰出效果,在高频段辐射烦扰的规划也达到了预期效果,下面还需对在30~200MHz频段规模内的辐射烦扰进行改善规划。

由图4可以看出,本开关电源存在辐射烦扰超标的现象,为了克制电磁烦扰而运用铁氧体元件,价格便宜,效果明显。

铁氧体元件等效电路是电感L和电阻R组成的串联电路,L和R都是频率的函数。低频时,R很小,L起首要效果,电磁烦扰被反射而受到克制;高频时,R增大,电磁烦扰被吸收并转换成热能,使高频烦扰大大衰减。不同的铁氧体克制元件,有不同的 克制频率规模。总归,选择和设备铁氧体元件可参照如下几条:

(1)铁氧体的体积越大,克制效果越好;

(2)在体积一守时,长而细的形状比短而粗的克制效果好;

(3)内径越小克制效果也越好;

(4)横截面越大,越不易饱满;

(5)磁导率越高,克制的频率就越低;

(6)铁氧体克制元件应当设备在挨近烦扰源的当地;

(7)在输入、输出导线上设备时,应尽量挨近屏蔽壳的进、出口处。

根据上面临高频开关电源烦扰源和铁氧体元件的分析,决定在挨近烦扰源的当地套磁珠与磁环。

图1a中电容C1的接地端套铁氧体磁珠(φ3.5×φ1.3×3.5),图1b中整流二极管D1和D2运用肖特基二极管,其阳极套铁氧体磁珠(φ3.5×φ1.3×3.5),直流输出线缆用铁氧体磁环(φ13.5×φ7.5×7)绕两圈且挨近出口处。经过处理后从头检验,其扫描曲线如图6所示。

由此可见,大部分频段的辐射烦扰已被克制到标准要求以下,但在频率81、138、165kHz附近处依然超标。

根据对开关电源电磁烦扰源的分析可知,在图1b电路中高频变压器T1也是一个烦扰源。为了阻止高频变压器产生的烦扰信号以辐射方法发射,把变压器的外壳用屏蔽资料铜箔环绕一圈构成一回路加以屏蔽,以切断变压器经过空间耦合构成的辐射烦扰传达途径。

而且为了减少因变压器侧注册时电流瞬间突变产生的di/dt烦扰,在变压器T1的 侧串进1个电感,以减小器件的注册损耗,下降辐射烦扰信号。经过整改后,辐射烦扰大大下降,再次对本电源辐射烦扰进行检验,完全达到了标准要求,其检验效果如图7所示。

5随着高频开关电源等电子产品电磁兼容重要性的凸现,我们应该在产品规划初期阶段,一起进行电磁兼容规划,此刻结构和电路计划没有定型,可选用的方法较多。

假如等到出产阶段再去解决,不但给技能和工艺上带来很大难度,而且会构成人力、财力和时间的极大浪费。所以,要走出规划修改法的误区,正确运用系统规划法。

与EMI相关的要素多且复杂,仅做到上述的几点办法是远远不够的,还有接地技能、PCB布局走线等都很重要。电磁兼容的规划任重而道远,我们要不断进行研究探究,使我国的电子产品电磁兼容水平与世界同步。

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