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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，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)潆娐吩恚鐖D1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(jìn)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(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
(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。
根據(jù)鐵路客運(yùn)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)，*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(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。
5 高頻開關(guān)電源輻射騷擾的改進(jìn)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*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(jìn)、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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fèi)。所以，要走出設(shè)計修改法的誤區(qū)，正確運(yùn)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(diǎn)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(jìn)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。
