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高频开关电源的电磁骚扰兼容设计
时间:2021-01-11 13:16:44 点击次数:24

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/dtPCB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。

 

高频开关电源电磁骚扰测试曲线

3m法电波暗室对试验样机进行测试,其LN线的传导骚扰检测曲线如图23所示,辐射骚扰的垂直极化扫描曲线如图45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12所示。

 

本开关电源 通过了传导骚扰的测试,测试波形如图23所示。辐射骚扰高频段2301000MHz也测试合格,如图5所示。只是在30200MHz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30200MHz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,LR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。

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D1D2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81138165kHz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didt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。

 

随着高频开关电源等电子产品电磁兼容重要性的凸现,我们应该在产品设计初期阶段,同时进行电磁兼容设计,此时结构和电路方案尚未定型,可选用的方法较多。

如果等到生产阶段再去解决,不但给技术和工艺上带来很大难度,而且会造成人力、财力和时间的极大浪费。所以,要走出设计修改法的误区,正确运用系统设计法。

EMI相关的因素多且复杂,仅做到上述的几点措施是远远不够的,还有接地技术、PCB布局走线等都很重要。电磁兼容的设计任重而道远,我们要不断进行研究探索,使我国的电子产品电磁兼容水平与国际同步。

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