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爱浦电子铁路机车专用模块电源的EMC研究

作者:广州市爱浦电子来源:原创 日期:2018年6月5日 08:43

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/(2πLCMCCM;差模叫路转折频率为:fDM=1/(2πLDMCDM。其中LCMLDM为共模和差模回路的等效电感,CCMCDM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。

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