基于開關電源電磁兼容CS101項目解決方案

張俊波

（貴州航天林泉電機有限公司，貴州 貴陽 550008）

0 引 言

隨著電氣技術和電子技術的迅速發展，電磁環境日趨復雜，電磁干擾和電磁兼容在產品研制中的問題日漸突出[1]。如何使處于同一電磁環境下的各種電氣、電子設備或系統能夠正常工作而又互不干擾，達到所謂的兼容狀態，已成為現代電氣和電子技術發展過程中必須解決的難題[2]。在軍標電磁兼容測試中，CS101試驗主要是檢驗待測產品（Equipment Under Test，EUT）承受耦合到輸入電源線上的信號的能力。主要目的是在允許輸入電源電壓波形失真的脈動電壓條件下確保EUT不應出現任何故障、性能降低以及偏離規定的指標值，或超出單個設備和分系統規范中給出的指標允差[3]。本文通過原理分析、樣機實現以及試驗結合，針對開關電源電磁兼容CS101不通過的情況，從電路方案、器件參數確定、電路仿真以及結構方案等提出了解決方案，并進行了試驗論證。

1 CS101試驗情況

1.1 CS101試驗方法

GJB151B-2013中CS101的測試布置如圖1所示，電壓限值如圖2所示。圖1中，信號發生器作為干擾源按照圖2電壓限值要求輸出一個正弦波，頻率為25 Hz～150 kHz，經功率放大器放大后，通過耦合變壓器耦合到EUT的輸入電源線上，考核在干擾源注入時EUT承受耦合到輸入電源線上的信號的能力。

圖1 CS101測試布置圖

圖2 CS101電壓限值

結合圖1和圖2，開關電源CS101是在輸入電源線注入尖峰電壓信號，采取的是耦合變壓器注入方式，試驗模擬等效電路如圖3所示。

圖3 開關電源CS101試驗模擬等效電路

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 開關電源CS101試驗情況

開關電源輸入電壓為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。在試驗電路連接完后未注入尖峰電壓前對開關電源進行測試，開關電源工作情況如下。一是輸入電壓為28 V、輸入電流為0.43 A時開關電源工作正常；二是輸入電壓為28 V、輸入電流為1 A時開關電源工作正常；三是輸入電壓為28 V、輸入電流為2 A時開關電源工作正常；四是輸入電壓為28 V、輸入電流為3 A時開關電源工作正常；五是輸入電壓為28 V、輸入電流為3.5 A時開關電源自激振蕩，工作不正常。

2 解決方案

2.1 電路方案

開關電源在電磁兼容CS101試驗過程中產生自激振蕩是因為試驗設備引入的大電感引起，由于電感器電流不能突變的特性，所以開關電源無法瞬時吸收到瞬時大電流。而開關電源負載啟動瞬間需要一定的電流能力，導致開關電源輸入端電壓波動，開機產生自激振蕩[4]。

結合圖3開關電源試驗模擬電路，電磁兼容CS101試驗條件下，一方面考核開關電源增加耦合變壓器后等效電感較大，開關電源能承受電感器電感電流不能突變導致的自激振蕩[5]。另一方面考核尖峰擾動注入后開關電源輸入端電壓相當于在直流上疊加一個正弦波，輸入電源線電壓波動，導致開關電源不能正常工作[6]。由于電容具有吸收電壓紋波和平滑電壓波形的作用，因此為消除開關電源輸入端電源線電壓波動，采取在開關電源內部并聯容抗的方式，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時對開關電源的干擾。電路形式如圖4（a）所示。在CS101試驗中，由于試驗引入的等效電感量較大（1.0 mH），電感器充電時間長，由其引起的自激振蕩頻率較低,加上CS101試驗頻率為25 Hz～150 kHz為低頻考核，因此為了實現LC匹配，電容器也需相應的充放電時間。開關電源采用圖4（b）電路方式，相當于接入一個RC低通濾波器[7]。當輸入信號的頻率低時，電容器C容抗高，大部分輸入電壓在電容器上下降，當輸入信號頻率高時，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，實現開關電源LC充放電匹配。

圖4 開關電源內部增加容抗方式

同時，因為開關電源使用場合對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，通過串聯電阻R緩解瞬間大電流對電容器的沖擊，保護鉭電容器[10]。

2.2 器件參數確定

根據電磁兼容摸底試驗，RC電路中電容器容量選取和輸出功率有一定的關聯性，對于低壓輸入型DC-DC開關電源，采用大容抗消除電壓波動時，一般電容器容量1 μF對應輸出功率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在開關電源中應用電路參數如圖5所示。

圖5 開關電源電路應用參數

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。根據軍用鉭電解電容器應用指南要求，產品溫度大于85 ℃時，實際使用電壓不大于65%UC，即41 V。因開關電源輸入為28 V±8 V，開關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。根據軍標元器件降額準則，電壓降額系數為36/100=0.36，滿足Ⅰ級降額，降額合理。

2.3.2 開機狀態下的電應力分析

（1）串聯保護電阻。根據軍用鉭電解電容器應用指南要求，電阻值R按＞0.1 Ω/V選取，開關電源串聯電阻器阻值為3.9 Ω，歐伏數為3.9/36=0.108 Ω/V，符合使用要求。

（2）串聯保護電阻功耗。通常電阻器的瞬時功耗可以達到額定功耗的50倍，選用電阻器額定功耗為3 W，因此可承受最高150 W的瞬時功耗。開關電源開機時，實測開關電源開機時鉭電容器上的峰值電流為3.82 A，持續時間1 ms，瞬時功耗低于電阻器可承受的最高瞬時功耗。

2.3.3 穩態工作狀態下的電應力分析

（1）紋波電流。根據鉭電解電容器廠家手冊數據，鉭電容器最大可承受紋波電流有效值Irms=600 mA。實測開關電源穩態工作時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）串聯電阻器功耗。開關電源穩態工作時，串聯電阻器上的電流即是鉭電容器上的紋波電流，按實際使用最大紋波電流計算，電阻器功耗為0.051×0.051×3.9=0.0102 W；根據軍標元器件降額準則，電阻器功率降額系數為0.010 2/2=0.0051，滿足Ⅰ級降額。

2.4 電路仿真

2.4.1 電磁兼容CS101試驗條件下電路仿真

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

2.4.2 仿真結果分析

從仿真圖6可知，信號2Vrms/5 kHz時承受的電應力最大，紋波電流有效值Irms=548 mA，鉭電容器廠家數據最大可承受紋波電流有效值Irms=600 mA，滿足使用要求。串聯電阻的功耗為Irms×Irms×3.9 Ω=1.17 W，功率降額系數為1.17/3=0.39，滿足Ⅰ級降額。

圖6 電磁兼容CS101試驗條件下電路仿真

2.5 結構方案

采用環氧玻璃布層壓板加工一塊固定板，固定板上鉚裝3個雙翼焊片，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氧板上，然后引線到印制板預先刮開的正負輸入電源印制線的焊盤上，具體方法如圖7所示。環氧板組件通過器件安裝螺釘固定在開關電源印制板上。

圖7 開關電源樣機RC裝配方式實現

3 試驗結果

開關電源按圖7裝配方式加工了一件樣機，樣機再次進行電磁兼容CS101試驗，實測電磁兼容CS101試驗條件下開關電源輸出電壓正常，無自激振蕩，滿足軍標要求。輸出電壓紋波實測波形如圖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。開關電源電磁兼容CS101試驗條件下測量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。

圖8 電磁兼容CS101試驗條件下紋波測量值

開關電源完成電磁兼容CS101項目試驗后，對樣機進行技術指標對比測試見表1。通過測試指標對比，因增加RC導致重量和開機浪涌電流增加，其余指標更改前后無明顯差別。

表1 更改前后測試結果對比

4 結 論

開關電源電磁兼容CS101試驗時，考慮LC充放電匹配，合理選取RC參數。電容器容量和輸出功率有一定的關聯性，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，實現開關電源LC充放電匹配。RC電路簡單，易于實現，密切聯系實際，對于開關電源電磁兼容CS101項目具有借鑒意義。