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解決高頻開關(guān)電源的電磁兼容問題

發(fā)布時間:2011-08-10

中心議題:

  • 高頻開關(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)
  • 高頻開關(guān)電源電磁騷擾源的分析
  • 高頻開關(guān)電源電磁騷擾的電磁兼容設(shè)計

解決方案:

  • 高頻開關(guān)電源電磁騷擾測試曲線
  • 高頻開關(guān)電源電磁兼容設(shè)計及改進


隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的不斷完善和日趨成熟,其在鐵路信號供電系統(tǒng)中的應(yīng)用也在迅速增加。與此同時,高頻開關(guān)電源自身存在的電磁騷擾(EMI)問題如果處理不好,不僅容易對電網(wǎng)造成污染,直接影響其他用電設(shè)備的正常工作,而且傳入空間也易形成電磁污染,由此產(chǎn)生了高頻開關(guān)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(guān)電源模塊所存在的電磁騷擾超標(biāo)問題進行分析,并提出改進措施。高頻開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁騷擾可分為傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾兩大類。傳導(dǎo)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(guān)電源的電路結(jié)構(gòu)

高頻開關(guān)電源的主拓?fù)潆娐吩?,如圖1所示。

2  高頻開關(guān)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(guān)電源工作時產(chǎn)生電磁騷擾的主要騷擾源,具體分析如下。

(1)整流器整流過程產(chǎn)生的高次諧波會沿著電源線產(chǎn)生傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾。
(2)開關(guān)功率管工作在高頻導(dǎo)通和截止的狀態(tài),為了降低開關(guān)損耗,提高電源功率密度和整體效率,開關(guān)管的打開和關(guān)斷的速度越來越快,一般在幾微秒,開關(guān)管以這樣的速度打開和關(guān)斷,形成了浪涌電壓和浪涌電流,會產(chǎn)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。
(3)高頻變壓器T1進行功率變換的同時,產(chǎn)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(chǎn)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(dǎo)騷擾。
(4)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(guān)狀態(tài),也是一種電磁騷擾源。

由于二極管的引線寄生電感、結(jié)電容的存在以及反向恢復(fù)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(fù)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(chǎn)生高頻衰減振蕩,這是一種差模傳導(dǎo)騷擾。

所有產(chǎn)生的這些電磁信號,通過電源線、信號線、接地線等金屬導(dǎo)線傳輸?shù)酵獠侩娫葱纬蓚鲗?dǎo)騷擾。通過導(dǎo)線和器件輻射或通過充當(dāng)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(guān)電源電磁騷擾的電磁兼容設(shè)計

(1)開關(guān)電源入口加電源濾波器,抑制開關(guān)電源所產(chǎn)生的高次諧波。
(2)輸入輸出電源線上加鐵氧體磁環(huán),一方面抑制電源線內(nèi)的高頻共模,另一方面減小通過電源線輻射的騷擾能量。
(3)電源線盡可能靠近地線,以減小差模輻射的環(huán)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(yuǎn)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(huán)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。
(4)對芯片和MOS開關(guān)管安裝去耦電容,其位置盡可能地靠近并聯(lián)在器件的電源和接地管腳。
(5)由于接地導(dǎo)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(dǎo)線,并就近接地。
(6)在開關(guān)管以及輸出整流二極管兩端加RC吸收電路,吸收浪涌電壓。
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4  高頻開關(guān)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(dǎo)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(jù)鐵路客運專線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,傳導(dǎo)騷擾限值和輻射騷擾限值如表1、2所示。


本開關(guān)電源一次通過了傳導(dǎo)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(nèi)的垂直極化指標(biāo)超標(biāo),最大超標(biāo)20dB,如圖4所示。

由測試結(jié)果可以看出,通過電磁兼容設(shè)計在傳導(dǎo)騷擾抑制方面取得了良好效果,在高頻段輻射騷擾的設(shè)計也達(dá)到了預(yù)期效果,下面還需對在30~200MHz頻段范圍內(nèi)的輻射騷擾進行改進設(shè)計。
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5  高頻開關(guān)電源輻射騷擾的改進設(shè)計

由圖4可以看出,本開關(guān)電源存在輻射騷擾超標(biāo)的現(xiàn)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(lián)電路,L和R都是頻率的函數(shù)。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(zhuǎn)換成熱能,使高頻騷擾大大衰減。不同的鐵氧體抑制元件,有不同的最佳抑制頻率范圍??傊?,選擇和安裝鐵氧體元件可參照如下幾條:

(1)鐵氧體的體積越大,抑制效果越好;
(2)在體積一定時,長而細(xì)的形狀比短而粗的抑制效果好;
(3)內(nèi)徑越小抑制效果也越好;
(4)橫截面越大,越不易飽和;
(5)磁導(dǎo)率越高,抑制的頻率就越低;
(6)鐵氧體抑制元件應(yīng)當(dāng)安裝在靠近騷擾源的地方;
(7)在輸入、輸出導(dǎo)線上安裝時,應(yīng)盡量靠近屏蔽殼的進、出口處。

根據(jù)上面對高頻開關(guān)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(huán)。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(huán)(φ13.5×φ7.5×7)繞兩圈且靠近出口處。經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)要求以下,但在頻率81、138、165kHz附近處仍然超標(biāo)。

根據(jù)對開關(guān)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(chǎn)生的騷擾信號以輻射方式發(fā)射,把變壓器的外殼用屏蔽材料銅箔環(huán)繞一圈構(gòu)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(cè)開通時電流瞬間突變產(chǎn)生的di/dt騷擾,在變壓器T1的一次側(cè)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(jīng)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(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求,其測試結(jié)果如圖7所示。

6  結(jié)語

隨著高頻開關(guān)電源等電子產(chǎn)品電磁兼容重要性的凸現(xiàn),我們應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計初期階段,同時進行電磁兼容設(shè)計,此時結(jié)構(gòu)和電路方案尚未定型,可選用的方法較多。如果等到生產(chǎn)階段再去解決,不但給技術(shù)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(shè)計修改法的誤區(qū),正確運用系統(tǒng)設(shè)計法。

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

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