基于开关电源电磁兼容CS101项目解决方案

张俊波

（贵州航天林泉电机有限公司，贵州 贵阳 550008）

0 引 言

随着电气技术和电子技术的迅速发展，电磁环境日趋复杂，电磁干扰和电磁兼容在产品研制中的问题日渐突出[1]。如何使处于同一电磁环境下的各种电气、电子设备或系统能够正常工作而又互不干扰，达到所谓的兼容状态，已成为现代电气和电子技术发展过程中必须解决的难题[2]。在军标电磁兼容测试中，CS101试验主要是检验待测产品（Equipment Under Test，EUT）承受耦合到输入电源线上的信号的能力。主要目的是在允许输入电源电压波形失真的脉动电压条件下确保EUT不应出现任何故障、性能降低以及偏离规定的指标值，或超出单个设备和分系统规范中给出的指标允差[3]。本文通过原理分析、样机实现以及试验结合，针对开关电源电磁兼容CS101不通过的情况，从电路方案、器件参数确定、电路仿真以及结构方案等提出了解决方案，并进行了试验论证。

1 CS101试验情况

1.1 CS101试验方法

GJB151B-2013中CS101的测试布置如图1所示，电压限值如图2所示。图1中，信号发生器作为干扰源按照图2电压限值要求输出一个正弦波，频率为25 Hz～150 kHz，经功率放大器放大后，通过耦合变压器耦合到EUT的输入电源线上，考核在干扰源注入时EUT承受耦合到输入电源线上的信号的能力。

图1 CS101测试布置图

图2 CS101电压限值

结合图1和图2，开关电源CS101是在输入电源线注入尖峰电压信号，采取的是耦合变压器注入方式，试验模拟等效电路如图3所示。

图3 开关电源CS101试验模拟等效电路

图3中，T为尖峰电压注入耦合变压器，Lm为耦合变压器自身等效电感，电感量约为1.0 mH。

1.2 开关电源CS101试验情况

开关电源输入电压为28 V±8 V，输入额定功率约为130 W，输出为多路DC-DC，输出功率约为92 W。在试验电路连接完后未注入尖峰电压前对开关电源进行测试，开关电源工作情况如下。一是输入电压为28 V、输入电流为0.43 A时开关电源工作正常；二是输入电压为28 V、输入电流为1 A时开关电源工作正常；三是输入电压为28 V、输入电流为2 A时开关电源工作正常；四是输入电压为28 V、输入电流为3 A时开关电源工作正常；五是输入电压为28 V、输入电流为3.5 A时开关电源自激振荡，工作不正常。

2 解决方案

2.1 电路方案

开关电源在电磁兼容CS101试验过程中产生自激振荡是因为试验设备引入的大电感引起，由于电感器电流不能突变的特性，所以开关电源无法瞬时吸收到瞬时大电流。而开关电源负载启动瞬间需要一定的电流能力，导致开关电源输入端电压波动，开机产生自激振荡[4]。

结合图3开关电源试验模拟电路，电磁兼容CS101试验条件下，一方面考核开关电源增加耦合变压器后等效电感较大，开关电源能承受电感器电感电流不能突变导致的自激振荡[5]。另一方面考核尖峰扰动注入后开关电源输入端电压相当于在直流上叠加一个正弦波，输入电源线电压波动，导致开关电源不能正常工作[6]。由于电容具有吸收电压纹波和平滑电压波形的作用，因此为消除开关电源输入端电源线电压波动，采取在开关电源内部并联容抗的方式，使电感器与电容器的充放电LC匹配，抑制输入电源线上注入信号时对开关电源的干扰。电路形式如图4（a）所示。在CS101试验中，由于试验引入的等效电感量较大（1.0 mH），电感器充电时间长，由其引起的自激振荡频率较低,加上CS101试验频率为25 Hz～150 kHz为低频考核，因此为了实现LC匹配，电容器也需相应的充放电时间。开关电源采用图4（b）电路方式，相当于接入一个RC低通滤波器[7]。当输入信号的频率低时，电容器C容抗高，大部分输入电压在电容器上下降，当输入信号频率高时，电容器阻抗低，大部分输入电压在电阻器R上下降[8]。电阻器R改变了电容器充放电的阻尼系数，实现开关电源LC充放电匹配。

图4 开关电源内部增加容抗方式

同时，因为开关电源使用场合对温度特性和频率特性要求较高，所以电容器选择温度特性和低频特性好的钽电容器[9]。为确保钽电容器可靠性而又不影响使用性，通常在其上串接低阻值电阻器，形成RC电路，通过串联电阻R缓解瞬间大电流对电容器的冲击，保护钽电容器[10]。

2.2 器件参数确定

根据电磁兼容摸底试验，RC电路中电容器容量选取和输出功率有一定的关联性，对于低压输入型DC-DC开关电源，采用大容抗消除电压波动时，一般电容器容量1 μF对应输出功率1 W匹配选取。图4中RC选值如下，选用电阻器R的阻值为3.9 Ω，功率为3 W，选用钽电容器C的容量为100 μF，额定电压为100 V。RC在开关电源中应用电路参数如图5所示。

图5 开关电源电路应用参数

2.3 RC电路合理性分析

2.3.1 电容器电压降额

电容器额定电压UR为100 V，降额电压UC为63 V。根据军用钽电解电容器应用指南要求，产品温度大于85 ℃时，实际使用电压不大于65%UC，即41 V。因开关电源输入为28 V±8 V，开关电源输入最高电压为36 V，低于41 V，所以电容器额定电压选择合理。根据军标元器件降额准则，电压降额系数为36/100=0.36，满足Ⅰ级降额，降额合理。

2.3.2 开机状态下的电应力分析

（1）串联保护电阻。根据军用钽电解电容器应用指南要求，电阻值R按＞0.1 Ω/V选取，开关电源串联电阻器阻值为3.9 Ω，欧伏数为3.9/36=0.108 Ω/V，符合使用要求。

（2）串联保护电阻功耗。通常电阻器的瞬时功耗可以达到额定功耗的50倍，选用电阻器额定功耗为3 W，因此可承受最高150 W的瞬时功耗。开关电源开机时，实测开关电源开机时钽电容器上的峰值电流为3.82 A，持续时间1 ms，瞬时功耗低于电阻器可承受的最高瞬时功耗。

2.3.3 稳态工作状态下的电应力分析

（1）纹波电流。根据钽电解电容器厂家手册数据，钽电容器最大可承受纹波电流有效值Irms=600 mA。实测开关电源稳态工作时钽电容器两极的纹波电压为200 mV，在不考虑钽电容器本身等效电阻的情况下，其最大纹波电流为0.2 V/3.9 Ω=51 mA，低于钽电容器可承受的最大纹波电流。

（2）串联电阻器功耗。开关电源稳态工作时，串联电阻器上的电流即是钽电容器上的纹波电流，按实际使用最大纹波电流计算，电阻器功耗为0.051×0.051×3.9=0.0102 W；根据军标元器件降额准则，电阻器功率降额系数为0.010 2/2=0.0051，满足Ⅰ级降额。

2.4 电路仿真

2.4.1 电磁兼容CS101试验条件下电路仿真

仿真条件中，直流工作电压为28 V，扰动信号电压为图2中曲线二，信号频率为25 Hz、5 kHz、30 kHz以及150 kHz，用电阻R4（6 Ω）模拟开关电源工作电流。电磁兼容CS101试验条件下电路仿真如图6所示。

2.4.2 仿真结果分析

从仿真图6可知，信号2Vrms/5 kHz时承受的电应力最大，纹波电流有效值Irms=548 mA，钽电容器厂家数据最大可承受纹波电流有效值Irms=600 mA，满足使用要求。串联电阻的功耗为Irms×Irms×3.9 Ω=1.17 W，功率降额系数为1.17/3=0.39，满足Ⅰ级降额。

图6 电磁兼容CS101试验条件下电路仿真

2.5 结构方案

采用环氧玻璃布层压板加工一块固定板，固定板上铆装3个双翼焊片，电阻器和电容器的引线分别焊接在焊片上并用棉线将器件本体捆绑固定于环氧板上，然后引线到印制板预先刮开的正负输入电源印制线的焊盘上，具体方法如图7所示。环氧板组件通过器件安装螺钉固定在开关电源印制板上。

图7 开关电源样机RC装配方式实现

3 试验结果

开关电源按图7装配方式加工了一件样机，样机再次进行电磁兼容CS101试验，实测电磁兼容CS101试验条件下开关电源输出电压正常，无自激振荡，满足军标要求。输出电压纹波实测波形如图8所示，纹波为52 mV，纹波为正弦波，由图3中电压尖峰注入引起。开关电源电磁兼容CS101试验条件下测量RC电路器件温度，电阻器R温度最高为75 ℃，在电阻器使用温度范围内。

图8 电磁兼容CS101试验条件下纹波测量值

开关电源完成电磁兼容CS101项目试验后，对样机进行技术指标对比测试见表1。通过测试指标对比，因增加RC导致重量和开机浪涌电流增加，其余指标更改前后无明显差别。

表1 更改前后测试结果对比

4 结 论

开关电源电磁兼容CS101试验时，考虑LC充放电匹配，合理选取RC参数。电容器容量和输出功率有一定的关联性，输出功率越大，电容器吸收纹波、平滑电压波形需更大的容量。电阻器R改变了电容器充放电阻尼系数，实现开关电源LC充放电匹配。RC电路简单，易于实现，密切联系实际，对于开关电源电磁兼容CS101项目具有借鉴意义。