EMS中的浪涌抗擾度電路分析

大家都知道，EMC 描述的是產(chǎn)品兩個(gè)方面的性能，即電磁發(fā)射/干擾EME和電磁抗擾EMS。EME中又包含傳導(dǎo)和輻射；而EMS中又包含靜電、脈沖群、浪涌等。本文將從EMS中的浪涌抗擾度的角度出發(fā)，分析設(shè)計(jì)電源的前級(jí)電路。

抗浪涌的電路分析

如圖1所示為小功率電源模塊中常用的EMC前級(jí)原理圖，F(xiàn)USE為保險(xiǎn)絲，MOV為壓敏電阻，Cx為X電容，LDM為差模電感，Lcm為共模電感，Cy1和Cy2為Y電容，NTC為熱敏電阻。其中Y電容、共模電感等的主要作用雖然不是為了改善電路的浪涌抗擾度，但它們卻間接地影響了抗浪涌電路的設(shè)計(jì)。

圖1 常用EMC前級(jí)電路

對(duì)ACL與ACN之間施加的浪涌電壓稱為差模浪涌電壓，差模路徑如圖中紅線所示；對(duì)ACL（或ACN）與PE之間施加的電壓稱為共模浪涌電壓，共模路徑如圖中藍(lán)線所示。

在設(shè)計(jì)抗浪涌電路前必須先確定相應(yīng)的“電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)”，如IEC/EN 61000-4-5（對(duì)應(yīng)GB/T 17626.5）中規(guī)定了浪涌抗擾度要求、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)等級(jí)等。下面我們將以該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定為基礎(chǔ)來討論抗浪涌電路的設(shè)計(jì)。

浪涌發(fā)生電路在輸出開路時(shí)，產(chǎn)生1.2/50μs的浪涌電壓，而在短路時(shí)將產(chǎn)生8/20μs的浪涌電流。

發(fā)生器的有效輸出阻抗為2Ω，故當(dāng)開路電壓峰值為XKV時(shí)，短路峰值電流為(X/2)KA。

當(dāng)對(duì)ACL（或ACN）和PE之間進(jìn)行抗浪涌測試時(shí)，在耦合電路上又串入了10Ω的電阻，忽略掉串聯(lián)耦合電容的影響，則短路峰值電流變?yōu)榧s（X/12)KA。

相關(guān)器件介紹

1、壓敏電阻

壓敏電阻的選型最重要的幾個(gè)參數(shù)為：最大允許電壓、最大鉗位電壓、能承受的浪涌電流。

首先應(yīng)保證壓敏電阻最大允許電壓大于電源輸出電壓的最大值；其次應(yīng)保證最大鉗位電壓不會(huì)超過后級(jí)電路所允許的最大浪涌電壓；最后應(yīng)保證流過壓敏電阻的浪涌電流不會(huì)超過其能承受的浪涌電流。

其他參數(shù)如額定功率、能承受的最大能量脈沖等，通過簡單驗(yàn)算或?qū)嶒?yàn)即可確定。

2、Y電容

在進(jìn)行共模浪涌測試時(shí)，若考慮成本等因素，在共模路徑中未加入壓敏電阻或其他用于鉗位電壓的器件時(shí)，應(yīng)保證Y電容耐壓高于測試電壓。

3、輸入整流二極管

假設(shè)浪涌電壓經(jīng)壓敏電阻鉗位后，最大鉗位電壓大于輸入整流二極管能承受的最大反向電壓，則二極管可能會(huì)被損壞。因此應(yīng)選擇反向耐壓大于壓敏電阻最大鉗位電壓的二極管作為輸入整流二極管。

4、共模電感

理論上共模電感僅在共模路徑中起作用，但是因?yàn)楣材ｋ姼袃蓚€(gè)繞組并非完全耦合，未耦合部分將在差模路徑中作為差模電感，影響EMC特性。

實(shí)例分析

背景：以某型號(hào)的電源模塊為例，該模塊是ZLG致遠(yuǎn)電子為某客戶定制的電源模塊，輸入85VAC~350VAC，且EMC前級(jí)電路電路嵌入到模塊中?？估擞恳蟛钅ｋ妷?KV，共模電壓6KV。更換更大的保險(xiǎn)絲后可承受6KV差模電壓。其前級(jí)原理圖及對(duì)應(yīng)實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 實(shí)例原理圖與實(shí)物圖

1、差模浪涌測試

壓敏電阻選型時(shí)，首先應(yīng)使最大允許電壓略大于350V，此電壓等級(jí)壓敏電阻最大鉗位電壓為1000V左右（50A測試電流下）。其次在差模路徑上，等效于一個(gè)內(nèi)阻為2Ω、脈沖電壓為6KV的電壓源與壓敏電阻串聯(lián)，則峰值電流約為（6KV-1KV）/2Ω=2500A。最終選擇了681KD14作為壓敏電阻。其峰值電流為4500A，最大允許工作電壓385VAC，最大鉗位電壓1120V。

不必?fù)?dān)心，因?yàn)楣材ｋ姼兄形瘩詈系牟糠?，在差模路徑中作為差模電感，將分得部分電壓，事?shí)上，在共模電感后級(jí)，電路已得到保護(hù)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，整流二極管選擇常用的1N4007即可。

2、共模浪涌測試

當(dāng)對(duì)ACL-PE或ACN-PE測試6KV浪涌時(shí)，即共模浪涌試驗(yàn)，共模路徑等效為一個(gè)內(nèi)阻約為12Ω，脈沖電壓為6KV的電壓源與共模電感、Y電容串聯(lián)。因?yàn)閅電容選擇Y1等級(jí)電容，其耐壓較高，6KV共模浪涌的能量不足以使其損壞，因此僅需保證PE布線與其他布線保持一定間接，即可很容易地通過共模浪涌測試。

但是，因?yàn)槔擞繙y試時(shí)共模電感兩端將產(chǎn)生高壓，出現(xiàn)飛弧。若與周圍器件間距較近，可能使周圍器件損壞。因此可在其上并聯(lián)一個(gè)放電管或壓敏電阻限制其電壓，從而起到滅弧的作用。如圖中MOV2所示。

另一種辦法是在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，在共模電感兩端加入放電齒，使得電感通過兩放電尖端放電，避免通過其他路徑放電，從而使得對(duì)周圍和后級(jí)器件的影響減到最小。如圖3是ZLG致遠(yuǎn)電子型號(hào)為PA1HBxOD-10W的電力電源模塊PCB在共模電感處加入的放電齒的實(shí)物圖。

圖3 放電齒實(shí)物圖

總結(jié)

EMC試驗(yàn)通常實(shí)踐性很強(qiáng)，但如果我們掌握一些基本原理，在設(shè)計(jì)EMC前級(jí)電路時(shí)，將更有方向進(jìn)行試驗(yàn)，從而縮短項(xiàng)目開發(fā)的時(shí)間。本文章結(jié)合了一個(gè)簡單的實(shí)例，從浪涌試驗(yàn)的角度介紹了前級(jí)電路器件選型和典型電路，在以后的文章中我們將繼續(xù)更深入的探討抗浪涌電路相關(guān)內(nèi)容，并從其他EMC性能指標(biāo)的角度來設(shè)計(jì)EMC前級(jí)電路。

完善的浪涌防護(hù)電路搭配性能穩(wěn)定的電源模塊將會(huì)最大程度的保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定可靠。