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分析:开关电源EMC和滤波器电磁兼容整改问题对策(二)

日期:2022-01-18 04:18
浏览次数:24
摘要: 三、针对高频开关电源电磁骚扰的电磁兼容设计 (1)开关电源入口加电源滤波器,抑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,一方面抑制电源线内的高频共模,另一方面减小通过电源线辐射的骚扰能量。 (3)电源线尽可能靠近地线,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,靠近地线走线,并且走线不要过长,以减小回路的环面积;PCB板上的线条宽度不能突变,拐角采用圆弧过渡,尽量不采用直角或尖角。 (...

三、针对高频开关电源电磁骚扰的电磁兼容设计

(1)开关电源入口加电源滤波器,抑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,一方面抑制电源线内的高频共模,另一方面减小通过电源线辐射的骚扰能量。

(3)电源线尽可能靠近地线,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,靠近地线走线,并且走线不要过长,以减小回路的环面积;PCB板上的线条宽度不能突变,拐角采用圆弧过渡,尽量不采用直角或尖角。

(4)对芯片和MOS开关管安装去耦电容,其位置尽可能地靠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板和机壳间接地采用铜柱连接,对不适合用铜柱连接的采用较粗的导线,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。

四、高频开关电源电磁骚扰测试曲线

在3m法电波暗室对试验样机进行测试,其L、N线的传导骚扰检测曲线如图2、3所示,辐射骚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定,传导骚扰限值和辐射骚扰限值如表1、2所示。

本开关电源 通过了传导骚扰的测试,测试波形如图2、3所示。辐射骚扰高频段230~1000MHz也测试合格,如图5所示。只是在30~200MHz频段范围内的垂直极化指标超标, 超标20dB,如图4所示。

由测试结果可以看出,通过电磁兼容设计在传导骚扰抑制方面取得了良好效果,在高频段辐射骚扰的设计也达到了预期效果,下面还需对在30~200MHz频段范围内的辐射骚扰进行改进设计。

由图4可以看出,本开关电源存在辐射骚扰超标的现象,为了抑制电磁骚扰而使用铁氧体元件,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起主要作用,电磁骚扰被反射而受到抑制;高频时,R增大,电磁骚扰被吸收并转换成热能,使高频骚扰大大衰减。不同的铁氧体抑制元件,有不同的 抑制频率范围。总之,选择和安装铁氧体元件可参照如下几条:

(1)铁氧体的体积越大,抑制效果越好;

(2)在体积一定时,长而细的形状比短而粗的抑制效果好;

(3)内径越小抑制效果也越好;

(4)横截面越大,越不易饱和;

(5)磁导率越高,抑制的频率就越低;

(6)铁氧体抑制元件应当安装在靠近骚扰源的地方;

(7)在输入、输出导线上安装时,应尽量靠近屏蔽壳的进、出口处。

根据上面对高频开关电源骚扰源和铁氧体元件的分析,决定在靠近骚扰源的地方套磁珠与磁环。

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使用肖特基二极管,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)绕两圈且靠近出口处。经过处理后重新测试,其扫描曲线如图6所示。

由此可见,大部分频段的辐射骚扰已被抑制到标准要求以下,但在频率81、138、165kHz附近处仍然超标。

根据对开关电源电磁骚扰源的分析可知,在图1b电路中高频变压器T1也是一个骚扰源。为了阻止高频变压器产生的骚扰信号以辐射方式发射,把变压器的外壳用屏蔽材料铜箔环绕一圈构成一回路加以屏蔽,以切断变压器通过空间耦合形成的辐射骚扰传播途径。

并且为了减少因变压器侧开通时电流瞬间突变产生的di/dt骚扰,在变压器T1的 侧串进1个电感,以减小器件的开通损耗,降低辐射骚扰信号。经过整改后,辐射骚扰大大下降,再次对本电源辐射骚扰进行测试,完全达到了标准要求,其测试结果如图7所示。

五、结语

随着时代的发展,越来越多的电子、电气设备或系统产品都需要进行检验检测,其中EMC测试是必备的检验检测指标之一。但EMC测试项目费用较贵,EMC实验室造价昂贵,绝大部分测量设备又需要采用进口设备,导致很少检验检测机构有能力建造EMC实验室。产品的EMC性能是设计阶段赋予的,一般电子产品设计时如果不考虑EMC因素,就会很容易导致EMC测试失败,以致不能通过相关EMC法规的测试或认证。例如,产品设计研发工程师们根据需求,设计出效果良好的滤波电路,置入产品I/O(输入/输出)接口的前级,可使因传导而进入系统的干扰噪声消除在电路系统的入口处;设计出隔离电路(如变压器隔离和光电隔离等)解决通过电源线、信号线和地线进入电路的传导干扰,同时阻止因公共阻抗、长线传输而引起的干扰;设计出能量吸收回路,从而减少电路、器件吸收的噪声能量;通过选择元器件和合理安排的电路系统,使干扰的影响减少。

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