解決高頻開關(guān)電源的電磁兼容問題

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(shí)，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(diǎn)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(jìn)行分析，并提出改進(jìn)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(shí)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(jìn)行功率變換的同時(shí)，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(shí)間越長，則尖峰電流的影響也越大，騷擾信號就越強(qiáng)，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(jì)

(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(jī)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。

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(yàn)樣機(jī)進(jìn)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。

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