張俊波

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550008）

0 引 言

隨著電氣技術(shù)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，電磁干擾和電磁兼容在產(chǎn)品研制中的問(wèn)題日漸突出[1]。如何使處于同一電磁環(huán)境下的各種電氣、電子設(shè)備或系統(tǒng)能夠正常工作而又互不干擾，達(dá)到所謂的兼容狀態(tài)，已成為現(xiàn)代電氣和電子技術(shù)發(fā)展過(guò)程中必須解決的難題[2]。在軍標(biāo)電磁兼容測(cè)試中，CS101試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)待測(cè)產(chǎn)品（Equipment Under Test，EUT）承受耦合到輸入電源線上的信號(hào)的能力。主要目的是在允許輸入電源電壓波形失真的脈動(dòng)電壓條件下確保EUT不應(yīng)出現(xiàn)任何故障、性能降低以及偏離規(guī)定的指標(biāo)值，或超出單個(gè)設(shè)備和分系統(tǒng)規(guī)范中給出的指標(biāo)允差[3]。本文通過(guò)原理分析、樣機(jī)實(shí)現(xiàn)以及試驗(yàn)結(jié)合，針對(duì)開關(guān)電源電磁兼容CS101不通過(guò)的情況，從電路方案、器件參數(shù)確定、電路仿真以及結(jié)構(gòu)方案等提出了解決方案，并進(jìn)行了試驗(yàn)論證。

1 CS101試驗(yàn)情況

1.1 CS101試驗(yàn)方法

GJB151B-2013中CS101的測(cè)試布置如圖1所示，電壓限值如圖2所示。圖1中，信號(hào)發(fā)生器作為干擾源按照?qǐng)D2電壓限值要求輸出一個(gè)正弦波，頻率為25 Hz～150 kHz，經(jīng)功率放大器放大后，通過(guò)耦合變壓器耦合到EUT的輸入電源線上，考核在干擾源注入時(shí)EUT承受耦合到輸入電源線上的信號(hào)的能力。

圖1 CS101測(cè)試布置圖

圖2 CS101電壓限值

結(jié)合圖1和圖2，開關(guān)電源CS101是在輸入電源線注入尖峰電壓信號(hào)，采取的是耦合變壓器注入方式，試驗(yàn)?zāi)M等效電路如圖3所示。

圖3 開關(guān)電源CS101試驗(yàn)?zāi)M等效電路

圖3中，T為尖峰電壓注入耦合變壓器，Lm為耦合變壓器自身等效電感，電感量約為1.0 mH。

1.2 開關(guān)電源CS101試驗(yàn)情況

開關(guān)電源輸入電壓為28 V±8 V，輸入額定功率約為130 W，輸出為多路DC-DC，輸出功率約為92 W。在試驗(yàn)電路連接完后未注入尖峰電壓前對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行測(cè)試，開關(guān)電源工作情況如下。一是輸入電壓為28 V、輸入電流為0.43 A時(shí)開關(guān)電源工作正常；二是輸入電壓為28 V、輸入電流為1 A時(shí)開關(guān)電源工作正常；三是輸入電壓為28 V、輸入電流為2 A時(shí)開關(guān)電源工作正常；四是輸入電壓為28 V、輸入電流為3 A時(shí)開關(guān)電源工作正常；五是輸入電壓為28 V、輸入電流為3.5 A時(shí)開關(guān)電源自激振蕩，工作不正常。

2 解決方案

2.1 電路方案

開關(guān)電源在電磁兼容CS101試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生自激振蕩是因?yàn)樵囼?yàn)設(shè)備引入的大電感引起，由于電感器電流不能突變的特性，所以開關(guān)電源無(wú)法瞬時(shí)吸收到瞬時(shí)大電流。而開關(guān)電源負(fù)載啟動(dòng)瞬間需要一定的電流能力，導(dǎo)致開關(guān)電源輸入端電壓波動(dòng)，開機(jī)產(chǎn)生自激振蕩[4]。

結(jié)合圖3開關(guān)電源試驗(yàn)?zāi)M電路，電磁兼容CS101試驗(yàn)條件下，一方面考核開關(guān)電源增加耦合變壓器后等效電感較大，開關(guān)電源能承受電感器電感電流不能突變導(dǎo)致的自激振蕩[5]。另一方面考核尖峰擾動(dòng)注入后開關(guān)電源輸入端電壓相當(dāng)于在直流上疊加一個(gè)正弦波，輸入電源線電壓波動(dòng)，導(dǎo)致開關(guān)電源不能正常工作[6]。由于電容具有吸收電壓紋波和平滑電壓波形的作用，因此為消除開關(guān)電源輸入端電源線電壓波動(dòng)，采取在開關(guān)電源內(nèi)部并聯(lián)容抗的方式，使電感器與電容器的充放電LC匹配，抑制輸入電源線上注入信號(hào)時(shí)對(duì)開關(guān)電源的干擾。電路形式如圖4（a）所示。在CS101試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)引入的等效電感量較大（1.0 mH），電感器充電時(shí)間長(zhǎng)，由其引起的自激振蕩頻率較低,加上CS101試驗(yàn)頻率為25 Hz～150 kHz為低頻考核，因此為了實(shí)現(xiàn)LC匹配，電容器也需相應(yīng)的充放電時(shí)間。開關(guān)電源采用圖4（b）電路方式，相當(dāng)于接入一個(gè)RC低通濾波器[7]。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率低時(shí)，電容器C容抗高，大部分輸入電壓在電容器上下降，當(dāng)輸入信號(hào)頻率高時(shí)，電容器阻抗低，大部分輸入電壓在電阻器R上下降[8]。電阻器R改變了電容器充放電的阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源LC充放電匹配。

圖4 開關(guān)電源內(nèi)部增加容抗方式

同時(shí)，因?yàn)殚_關(guān)電源使用場(chǎng)合對(duì)溫度特性和頻率特性要求較高，所以電容器選擇溫度特性和低頻特性好的鉭電容器[9]。為確保鉭電容器可靠性而又不影響使用性，通常在其上串接低阻值電阻器，形成RC電路，通過(guò)串聯(lián)電阻R緩解瞬間大電流對(duì)電容器的沖擊，保護(hù)鉭電容器[10]。

2.2 器件參數(shù)確定

根據(jù)電磁兼容摸底試驗(yàn)，RC電路中電容器容量選取和輸出功率有一定的關(guān)聯(lián)性，對(duì)于低壓輸入型DC-DC開關(guān)電源，采用大容抗消除電壓波動(dòng)時(shí)，一般電容器容量1 μF對(duì)應(yīng)輸出功率1 W匹配選取。圖4中RC選值如下，選用電阻器R的阻值為3.9 Ω，功率為3 W，選用鉭電容器C的容量為100 μF，額定電壓為100 V。RC在開關(guān)電源中應(yīng)用電路參數(shù)如圖5所示。

圖5 開關(guān)電源電路應(yīng)用參數(shù)

2.3 RC電路合理性分析

2.3.1 電容器電壓降額

電容器額定電壓UR為100 V，降額電壓UC為63 V。根據(jù)軍用鉭電解電容器應(yīng)用指南要求，產(chǎn)品溫度大于85 ℃時(shí)，實(shí)際使用電壓不大于65%UC，即41 V。因開關(guān)電源輸入為28 V±8 V，開關(guān)電源輸入最高電壓為36 V，低于41 V，所以電容器額定電壓選擇合理。根據(jù)軍標(biāo)元器件降額準(zhǔn)則，電壓降額系數(shù)為36/100=0.36，滿足Ⅰ級(jí)降額，降額合理。

2.3.2 開機(jī)狀態(tài)下的電應(yīng)力分析

（1）串聯(lián)保護(hù)電阻。根據(jù)軍用鉭電解電容器應(yīng)用指南要求，電阻值R按＞0.1 Ω/V選取，開關(guān)電源串聯(lián)電阻器阻值為3.9 Ω，歐伏數(shù)為3.9/36=0.108 Ω/V，符合使用要求。

（2）串聯(lián)保護(hù)電阻功耗。通常電阻器的瞬時(shí)功耗可以達(dá)到額定功耗的50倍，選用電阻器額定功耗為3 W，因此可承受最高150 W的瞬時(shí)功耗。開關(guān)電源開機(jī)時(shí)，實(shí)測(cè)開關(guān)電源開機(jī)時(shí)鉭電容器上的峰值電流為3.82 A，持續(xù)時(shí)間1 ms，瞬時(shí)功耗低于電阻器可承受的最高瞬時(shí)功耗。

2.3.3 穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的電應(yīng)力分析

（1）紋波電流。根據(jù)鉭電解電容器廠家手冊(cè)數(shù)據(jù)，鉭電容器最大可承受紋波電流有效值Irms=600 mA。實(shí)測(cè)開關(guān)電源穩(wěn)態(tài)工作時(shí)鉭電容器兩極的紋波電壓為200 mV，在不考慮鉭電容器本身等效電阻的情況下，其最大紋波電流為0.2 V/3.9 Ω=51 mA，低于鉭電容器可承受的最大紋波電流。

（2）串聯(lián)電阻器功耗。開關(guān)電源穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，串聯(lián)電阻器上的電流即是鉭電容器上的紋波電流，按實(shí)際使用最大紋波電流計(jì)算，電阻器功耗為0.051×0.051×3.9=0.0102 W；根據(jù)軍標(biāo)元器件降額準(zhǔn)則，電阻器功率降額系數(shù)為0.010 2/2=0.0051，滿足Ⅰ級(jí)降額。

2.4 電路仿真

2.4.1 電磁兼容CS101試驗(yàn)條件下電路仿真

仿真條件中，直流工作電壓為28 V，擾動(dòng)信號(hào)電壓為圖2中曲線二，信號(hào)頻率為25 Hz、5 kHz、30 kHz以及150 kHz，用電阻R4（6 Ω）模擬開關(guān)電源工作電流。電磁兼容CS101試驗(yàn)條件下電路仿真如圖6所示。

2.4.2 仿真結(jié)果分析

從仿真圖6可知，信號(hào)2Vrms/5 kHz時(shí)承受的電應(yīng)力最大，紋波電流有效值Irms=548 mA，鉭電容器廠家數(shù)據(jù)最大可承受紋波電流有效值Irms=600 mA，滿足使用要求。串聯(lián)電阻的功耗為Irms×Irms×3.9 Ω=1.17 W，功率降額系數(shù)為1.17/3=0.39，滿足Ⅰ級(jí)降額。

圖6 電磁兼容CS101試驗(yàn)條件下電路仿真

2.5 結(jié)構(gòu)方案

采用環(huán)氧玻璃布層壓板加工一塊固定板，固定板上鉚裝3個(gè)雙翼焊片，電阻器和電容器的引線分別焊接在焊片上并用棉線將器件本體捆綁固定于環(huán)氧板上，然后引線到印制板預(yù)先刮開的正負(fù)輸入電源印制線的焊盤上，具體方法如圖7所示。環(huán)氧板組件通過(guò)器件安裝螺釘固定在開關(guān)電源印制板上。

圖7 開關(guān)電源樣機(jī)RC裝配方式實(shí)現(xiàn)

3 試驗(yàn)結(jié)果

開關(guān)電源按圖7裝配方式加工了一件樣機(jī)，樣機(jī)再次進(jìn)行電磁兼容CS101試驗(yàn)，實(shí)測(cè)電磁兼容CS101試驗(yàn)條件下開關(guān)電源輸出電壓正常，無(wú)自激振蕩，滿足軍標(biāo)要求。輸出電壓紋波實(shí)測(cè)波形如圖8所示，紋波為52 mV，紋波為正弦波，由圖3中電壓尖峰注入引起。開關(guān)電源電磁兼容CS101試驗(yàn)條件下測(cè)量RC電路器件溫度，電阻器R溫度最高為75 ℃，在電阻器使用溫度范圍內(nèi)。

圖8 電磁兼容CS101試驗(yàn)條件下紋波測(cè)量值

開關(guān)電源完成電磁兼容CS101項(xiàng)目試驗(yàn)后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)對(duì)比測(cè)試見表1。通過(guò)測(cè)試指標(biāo)對(duì)比，因增加RC導(dǎo)致重量和開機(jī)浪涌電流增加，其余指標(biāo)更改前后無(wú)明顯差別。

表1 更改前后測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

開關(guān)電源電磁兼容CS101試驗(yàn)時(shí)，考慮LC充放電匹配，合理選取RC參數(shù)。電容器容量和輸出功率有一定的關(guān)聯(lián)性，輸出功率越大，電容器吸收紋波、平滑電壓波形需更大的容量。電阻器R改變了電容器充放電阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源LC充放電匹配。RC電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，密切聯(lián)系實(shí)際，對(duì)于開關(guān)電源電磁兼容CS101項(xiàng)目具有借鑒意義。