爱浦电子铁路机车专用模块电源的EMC研究

工程师不可不知的电源11种拓扑结构
1、铁路机车专用模块电源的现状
铁路机车正常运行中，由于用电设备频繁启动、环境温度变化大、设备安装集成度高等原因，造成机车供电环境十分恶劣，使得供电总线的干扰非常大，经常出现浪涌电压冲击、电磁辐射、高频脉冲群等干扰。目前铁路机车对机车电源的电磁兼容性提出了更高的要求。为此，北京星原丰泰电子技术有限公司专门筹建了电磁兼容实验室，对公司产品的电磁兼容(EMC)进行认真研究， 以满足铁路机车对模块电源的更高要求。
2、开关电源的EMC产生机理
电磁兼容是近年来迅速发展的技术领域，它研究如何使电气、电子设备或系统在电磁环境中，既具有足够的抗干扰能力、保持正常的下作性能，同时也不对处于同一环境中的其他设备和系统造成干扰。EMC包括电磁干扰(EMI) 和电磁敏感(EMS)2方面。EMI是指电气产品向外发出噪声；EMS则是指电气、电子产品抵抗外来电磁骚扰的能力。机车用的模块电源其EMC产生机理可以从EMS和EMI 2个方面来分析。
1．EMS包括：
(1)电快速瞬变脉冲群干扰，一般是由闪电、接地故障或切换电感性负载而引起的瞬时扰动。这种干扰的特点是脉冲成群出现、重复频率高、波形上升时间短。干扰的机理是脉冲群对设备中半导体器件结电容的充电，当结电容的能量积累到一定程度，便会引起设备的误动作。
(2)浪涌电压冲击干扰是由于主电源系统切换干扰、各种系统故障及雷电引起的。该干扰具有电压快速上升后缓慢下降的特性。
(3)由于摩擦生电、感应生电、容性生电产生的静电放电干扰，其电流具有很高的幅值和很短的上升沿，这样就会在放电电流的附近产生强度大、频谱宽的电磁场，对电子线路产生干扰。
(4)射频辐射电磁场干扰，往往是由设备操作、维修和安全检查人员在使用移动电话时所产生的，其他如无线电台、电视发射台、移动无线电发射机和各种丁业电磁辐射源，以及电焊机、晶闸管整流器、荧光灯工作时产生的寄生辐射，也都会产生射频辐射干扰。
(5)电压瞬时跌落、短时中断干扰，是由电网、变电设施的故障或负荷突然出现大的变化所引起的。在某些情况下会出现2次或更多次连续的跌落或中断。
EMS还包括很多内容，与机车开关电源关系密切的多为以上5种干扰。
2．EMI的干扰主要来自开关电源内部， 由开关器件、变压器、二极管和非线性无源元件 作时产生，印制板布线不当也是引起电磁干扰的一个主要因素。开关管产生的dv／dt、di／dt是具有较大辐度的脉冲，频带较宽且谐波丰富；整流二极管和续流二极管的反向恢复电流产生的干扰强度大；而变压器的漏感会产生频带宽、幅度大的辐射能量。
开关电源产生的电磁干扰，会使铁路的无线信号传输中发生变化而导致误操作。同时为了抵制其他干扰对开关电源的影响，有必要采取一定的措施进行抑制。
3、开关电源的EMC抑制措施
形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。
首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；
其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第3是提高受扰设备的抗扰能力，降低其对外来噪声的敏感度。目前抑制干扰基本上采用以下措施：
① 输入侧加磁珠；
②输入侧加压敏电阻；
③ 加瞬态电压抑制二极管(TVS管)；
④ 输入侧加滤波器；
⑤ 有效的屏蔽；
⑥可靠的接地；
⑦ 优化PCB布板；
⑧ 输入侧加较大的滤波、储能电容器。滤波是抑制干扰的一种很好的办法。常在电源输入端接上滤波器，不仅可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，而且可以抑制来自外界干扰对电源本身的侵害。以下主要介绍滤波器的设计。
开关电源的干扰信号有差模信号和共模信号，分别产生差模干扰和共模干扰。二者分布在不同的频段。大部分的差模干扰出现在1MHz以下，而共模干扰通常出现在100kHz以上。在100kHz～1MHz之间既有共模干扰又有差模干扰。可以说，差模一般出现在低频段，共模出现在高频段。开关电源在EMC测试中，最不好通过的传导干扰就是在10 MHz以下的干扰。而抑制该频段干扰的滤波器设计难度较大。
4、EMC滤波器的设计
滤波器各元件的参数设计可以通过差模和共模等效电路来计算。共模回路转折频率为：fc=1/（2π√LCMCCM）；差模叫路转折频率为：fDM=1/（2π√LDMCDM）。其中LCM、LDM为共模和差模回路的等效电感，CCM、CDM为共模和差模回路的等效电容。
 
图1为EMC 滤波器的基本电路图。设计EMC滤波器，首先必须获得滤波器所要提供的干扰的衰减量。利用各种干扰分离器分别测出待测设备在未加任何滤波器元件下，共模和差模的原始信号，将测得的结果同需要抑制的最终值比较，以得到需要的衰减量来设计滤波器的各元件参数，并通过测量验证不断修正．以确认十扰是否在限值内。滤波器的转折频率即是需要的衰减量，可通过画波特图并和斜率为+40dB／dec的线相交点找到。从抑制效果来看，滤波电感、电容值越大，对干扰的抑制能力越强，但必须付出成本、体积增大的代价。而且由材料特性可知，当电容、电感值越大，元件阻抗特性的自共振频率越低，可持续衰减干扰的频带相对变窄，所以其值不能无限增大。考虑到电容器电容值对体积的变化率较电感器对电感值的比值小，且电容器都有固定的容值，所以在决定滤波器的元件时，将优先考虑电容，并在《安规》限制许可下，尽量选择较大的容值。