众所周知,EMC描述的是产品性能的两个方面,即电磁发射/干扰EME和电磁干扰抗扰度EMS。 EME包括传导和辐射; EMS包括静电、脉冲群、浪涌等,本文将从EMS中的浪涌抗扰度角度对电源的前端电路进行分析和设计。抗浪涌的电路分析
图1所示为小功率电源模块常用的EMC前端原理图。 FUSE为保险丝,MOV为压敏电阻,Cx为X电容,LDM为差模电感,Lcm为共模电感,Cy1和Cy2为Y电容,NTC为热敏电阻。 Y电容、共模电感等虽然主要作用不是提高电路的抗浪涌能力,但它们间接影响了抗浪涌电路的设计。
图1 常用的EMC前级电路
施加在ACL和ACN之间的浪涌电压称为差模浪涌电压,差模路径如图中红线所示;施加在ACL(或ACN)和PE之间的电压称为共模浪涌电压。共模路径如图中蓝线所示。
在设计防浪涌电路之前,首先要确定相应的“电磁兼容标准”。例如,IEC/EN 61000-4-5(对应GB/T 17626.5)规定了浪涌抗扰度要求、测试方法、测试等级等。下面我们将根据本标准的规定讨论防浪涌电路的设计。
浪涌发生电路在输出开路时产生1.2/50s的浪涌电压,在输出短路时产生8/20s的浪涌电流。
发生器的有效输出阻抗为2,因此当开路电压峰值为XKV时,峰值短路电流为(X/2)KA。
在ACL(或ACN)与PE之间进行抗浪涌测试时,耦合电路中串接10电阻。忽略串联耦合电容的影响,短路峰值电流约为(X/12)KA。
相关器件介绍1、压敏电阻
压敏电阻选择最重要的参数是:最大允许电压、最大钳位电压、能承受的浪涌电流。
首先应保证压敏电阻的最大允许电压大于电源输出电压的最大值;其次,应保证最大钳位电压不超过后续电路允许的最大浪涌电压;最后,要保证流过压敏电阻的浪涌电流。不会超过其所能承受的浪涌电流。
其他参数,例如额定功率和所能承受的最大能量脉冲,可以通过简单的计算或实验来确定。
2、Y电容
进行共模浪涌测试时,如果考虑成本等因素,且共模路径上不加压敏电阻等钳位电压的器件,则应保证Y电容耐压高于测试电压。
3、输入整流二极管
假设浪涌电压被压敏电阻钳位后,最大钳位电压大于输入整流二极管能承受的最大反向电压,则二极管可能被损坏。因此,应选择反向耐压大于压敏电阻最大钳位电压的二极管作为输入整流二极管。
4、共模电感
理论上,共模电感只工作在共模路径中,但由于共模电感的两个绕组并不完全耦合,未耦合的部分会在差模路径中充当差模电感,影响EMC特性。
实例分析背景:以某型号的电源模块为例,该模块是ZLG致远电子为某客户定制的电源模块,输入85VAC~350VAC,且EMC前级电路电路嵌入到模块中。抗浪涌要求差模电压3KV,共模电压6KV。更换更大的保险丝后可承受6KV差模电压。其前级原理图及对应实物图如图2所示。
图2 示例原理图和实物图
1、差模浪涌测试
选择压敏电阻时,首先最大允许电压应略大于350V。该电压等级压敏电阻的最大钳位电压约为1000V(50A测试电流下)。其次,在差模路径上,相当于一个内阻为2、脉冲电压为6KV的电压源与压敏电阻串联。峰值电流约为(6KV-1KV)/2=2500A。最终选择681KD14作为压敏电阻。其峰值电流为4500A,最大允许工作电压为385VAC,最大钳位电压为1120V。
不用担心,因为共模电感的未耦合部分将作为差模路径中的差模电感共享部分电压。事实上,在共模电感之后电路就得到了保护。经实验验证,整流二极管选用常用的1N4007即可。
2、共模浪涌测试
在ACL-PE或ACN-PE上测试6KV浪涌,即共模浪涌测试时,共模路径相当于一个内阻约为12、脉冲电压为6KV的电压源串联在共模电感和Y电容。由于Y电容选用Y1级电容,其耐压较高,6KV共模浪涌的能量不足以将其损坏。因此,您只需确保PE接线和其他接线保持间接到共模浪涌即可。测试。
但由于浪涌测试时共模电感两端会产生高电压,会产生拉弧。如果设备与周围设备距离较近,可能会损坏周围设备。因此,可以并联放电管或压敏电阻来限制其电压,从而熄灭电弧。如图MOV2所示。
另一种方式是在PCB设计时在共模电感两端增加放电齿,使电感通过两个放电尖放电,避免通过其他路径放电,从而最大限度地减少对周围及后续器件的影响。图3是ZLG致远电子型号PA1HBxOD-10W电源模块PCB的共模电感添加放电齿实物图。
图3 卸料齿实物图
总结EMC测试通常非常实用,但是如果我们掌握了一些基本原理,我们在设计EMC前端电路时就会有更多的方向来进行测试,从而缩短项目开发时间。本文结合一个简单的例子,从浪涌测试的角度介绍前端电路元件和典型电路的选择。在以后的文章中,我们将继续更深入地探讨抗浪涌电路的相关内容,并借鉴其他EMC从性能指标的角度设计EMC前端电路。
完善的浪涌保护电路和稳定的电源模块将最大程度地保证系统供电的稳定性和可靠性。 ZLG致远电子自主研发生产的隔离电源模块输入电压范围宽,隔离有1000VDC、1500VDC、3000VDC和6000VDC等系列。封装形式多样,兼容国际标准SIP、DIP等封装。
同时,ZLG致远电子建有行业内一流的检测实验室,保证电源产品的性能,配备了最先进、最齐全的检测设备。全系列隔离DC-DC电源均通过完整的EMC测试,静电抗扰度高达4KV,抗浪涌能力强。抗扰度高达2KV,可应用于最复杂、恶劣的工业现场,为用户提供稳定可靠的电源隔离解决方案。