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高频开关电源的电磁兼容的方案设计
- 2021-06-02 -

        高频开关电源电磁干扰(EMI)问题处理不当,不仅污染电网,直接影响其他电气设备的正常运行,还会造成进厂空间电磁污染,这就导致了高频开关电源的电磁兼容性问题。本文对铁路信号电源盘用1200W(24V/50a)高频开关电源模块的电磁干扰问题进行了分析,并提出了改进措施。

        高频开关电源产生的电磁干扰可分为传导干扰和辐射干扰。传导扰动通过交流电源传播,频率低于30MHz;辐射扰动在空间中传播,频率为30-1000mhz。

        1.高频开关电源电路结构

        高频开关电源主拓扑电路原理如图1所示。

        2.高频开关电源电磁干扰源分析

        图1a电路中的整流器和功率晶体管Q1、图1b电路中的功率晶体管Q2~Q5、高频变压器T1和输出整流二极管D1~D2是高频开关电源工作时电磁干扰的主要来源。具体分析如下。

        整流器产生的高阶谐波会引起电力线沿线的传导干扰和辐射干扰。

        开关功率晶体管工作在高频导通和截止状态。为了减小开关损耗,提高电源的功率密度和整体效率,开关功率晶体管的开、关速度越来越快。一般在几微秒内,开关功率晶体管以这样的速度开闭,形成浪涌电压和浪涌电流,产生高频、高压峰值谐波、对空间电磁干扰和交流输入线。

        高频变压器T1变换功率时,产生交变电磁场,将电磁波辐射到空间,形成辐射干扰。变压器的分布电感和电容通过变压器初级阶段间的分布电容振荡耦合到交流输入电路,形成传导干扰。

        当输出电压较低时,输出整流二极管工作在高频开关状态,这也是一种电磁干扰源。

        由于二极管寄生电感和结电容的存在以及反向恢复电流的影响,二极管工作在非常高的电压和电流变化率。二极管反向恢复时间越长,峰值电流的影响越大,干扰信号越强,导致高频衰减振荡,这是一种差分模传导干扰。

        所有产生的电磁信号通过电源线、信号线、接地线等金属线传输到外部电源,形成导电干扰。辐射干扰是由电线和设备辐射的干扰信号或作为天线的互连导线引起的。

        3.高频开关电源电磁干扰的EMC设计

        在开关电源的入口处增加一个电源滤波器,以抑制开关电源产生的高次谐波。

        一方面抑制了电力线中的高频共模,另一方面降低了通过电力线辐射的干扰能量。

        电源线应尽量靠近地面,以减少差模辐射的回路面积;输入交流电源线和输出直流电源线分开,减少了输入和输出之间的电磁耦合;信号线应远离电源线,靠近地线,线路不宜过长,以减少回路的回路面积;PCB板上的线宽不能突然变化,拐角处采用圆弧过渡,尽量不要使用直角或锐角。电磁兼容测试设备

        芯片和MOS开关配有去耦电容器,这些电容器尽可能靠近并联设备的电源和接地引脚。

        由于接地导体中存在LDI/dt,PCB板与机箱之间通过铜柱间接连接。对于不适合铜柱连接的导线,应采用较厚的导线并就近接地。

        在开关管和输出整流二极管两端增加RC吸收电路,吸收浪涌电压。

        4.高频开关电源电磁干扰试验曲线

        测试样机在3M暗室中进行了测试。L线和N线的传导骚扰检测曲线如图2和图3所示,辐射骚扰的垂直极化扫描曲线如图4和图5所示。

        根据客运专线标准,传导骚扰和辐射骚扰限值见表1和表2。

        开关电源一次通过传导骚扰试验,试验波形如图2、图3所示,辐射骚扰高频段230~1000MHz也合格,如图5所示,但30~200mhz频率范围内垂直极化指数超标,而Zui超过标准20dB,如图4所示。

        从测试结果可以看出,电磁兼容设计在抑制传导干扰方面取得了很好的效果,高频段的辐射干扰设计也达到了预期的效果。接下来,我们需要改进30~200MHz频率范围内的辐射干扰设计。

        5.高频开关电源辐射干扰的改进设计

        从图4可以看出,开关电源存在辐射干扰过大的现象。为了抑制电磁干扰,采用了廉价有效的铁氧体元件。铁氧体元件的等效电路是由电感L和电阻R组成的串联电路,两者都是频率的函数。低频时,R很小,L起主要作用,电磁干扰被反射和抑制;高频时,R增大,电磁干扰被吸收并转化为热能,极大地衰减了高频干扰。不同的铁氧体抑制元件具有不同的抑制频率范围。简而言之,铁氧体元件的选择和安装可参考以下项目:

        铁素体体积越大,缓蚀效果越好;

        当体积一定时,长而薄的形状比短而厚的形状好;

        内径越小,抑制效果越好;

        截面越大,饱和程度越低;

        磁导率越高,抑制频率越低;

        铁素体抑制元件应安装在干扰源附近;

        安装在输入输出线上时,应尽可能靠近屏蔽壳的进出口。

        根据以上对高频开关电源的干扰源和铁氧体元件的分析,决定在干扰源附近放置磁珠和磁环。图1a中电容器C1的接地端子上覆盖有铁氧体磁珠(φ 三点五×φ 一点三× 在图1b中,肖特基二极管用于整流二极管D1和D2,其阳极涂有铁氧体磁珠(φ 三点五×φ 一点三× 3.5),用于直流输出电缆的铁氧体环(φ 十三点五×φ 七点五× 7) 在出口附近转两圈。扫描曲线如图6所示。可以看出,大多数频段的辐射干扰已被抑制在标准要求以下,但在81、1和2的频率下仍超过标准

        

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