电子装备电磁兼容性与电源设计*

宋 昕 王廷营

(1.驻716所军代表室 连云港 222061)(2.江苏自动化研究所 连云港 222061)

电子装备电磁兼容性与电源设计*

宋 昕1王廷营2

(1.驻716所军代表室 连云港 222061)(2.江苏自动化研究所 连云港 222061)

论文通过分析开关电源的工作原理,指出了电磁干扰形成的主要原因,介绍了采用交流分布式供电体制的电子装备解决电源线传导发射(CE101)问题的基本解决措施,提出了集中加分布式供电的二次供电体制,以降低输入电流的谐波电流以及对供电系统产生的不利影响,有效解决电源功率大于1KVA的电子装备中电磁兼容性测试项目CE101的超标问题。

电子装备; 开关电源; 供电体系; 电磁兼容性

Class Number TJ391

1 引言

伴随着我国国力的增强、科技的进步以及国防建设的需要,武器装备也迎来了一个快速发展时期。舰载电子系统一般包括导航系统、通信系统、雷达系统、电子侦察系统、电子对抗系统、作战指挥系统和武器控制系统等,每个系统均配备有功能不同的电子装备。由于电子装备的功能越来越丰富、强大,种类和数量越来越多,使得电磁环境日益复杂。若不能很好地开展电子装备电磁兼容性设计,将导致整个系统的性能指标大打折扣,严重影响了装备性能的充分发挥。

目前电子装备一般采用交流分布式供电体制,其电磁兼容性与供电体系及其开关电源[1]特性密切相关。

2 开关电源分析

2.1 开关电源原理

目前,多数电子装备要求其供电单元体积小、效率高、动态响应好以及能提供低压大电流等特点。传统的线性电源由于变换效率低,体积大等缺点,已逐渐被淘汰。而开关电源因具有体积小、效率高、重量轻,动态响应快等突出特点,被广泛应用。但是由于开关电源特殊的工作原理,也附带了更多电磁兼容问题[2]。开关电源简化原理图如图1所示。

图1 电源简化原理图

图中,C1～C4为电路各主要部分对地(机壳)电容(或分布电容),R1～R3为接地电阻或机壳电阻(机壳接地)。从交流(AC)输入到直流(DC)输出的全过程,包括:

1) 输入滤波器:作用是将电网存在的谐波干扰过滤,同时也阻止开关电源本身产生的谐波干扰反馈到公共电网。

2) 整流与滤波:将电网交流电通过整流桥和滤波电容整流为较为平滑的直流电,以供下一级变换使用。

3) 逆变:通过PWM控制电路使得开关管(通常为MOSFET)工作在开关状态,将整流后的直流电变换为高频交流电,并通过高频隔离变压器传送的后一级。这是高频开关电源的核心部分。

4) 输出整流与滤波:通过整流器件(通常为二极管或同步整流MOSFET)和输出储能滤波电容,将变压器次边得到的高频交流电变换成稳定可靠的直流电,供负载使用。

上述的2)～4)环节均会产生电磁干扰,按频率范围可划分为低频和高频电磁兼容问题。

2.2 低频电磁干扰问题

在环节2),经滤波后的工频交流电流经输入整流滤波后变成了单向脉冲电流,不再是单一频率的正弦波,其整流后的电压、电流波形如图2所示。

图2 输入整流滤波后的电压、电流波形

由图2可知,输入正弦电压波形经整流滤波后,电压变成近似稳定的直流电压,由于输入电压只在滤波电容的电压低于一定值时才经整流桥对电容充电,造成流过整流桥的电流为单向脉动电流。

由傅立叶基数展开可知,一个周期函数可以分解为傅立叶基数,表示为多级正弦函数的和式,即可把周期信号当作是正弦函数的基波与高次谐波的合成。所以,经整流后的电流不仅包含一直流分量,还包含一系列由基波分量和不同次数的高频交流分量。整流后的脉动波形傅立叶展开如图3所示。

图3 整流后电流傅立叶展开波形

这些高次谐波会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰,一方面使前端电流发生畸变,产生尖脉冲,污染输入电网;另一方面通过电源线产生辐射干扰,被其他设备接收产生干扰。

由于基波频率较低(50Hz),所含谐波中小于10kHz的谐波含量较为丰富,而此频率范围常规EMI滤波的器件、装置均难以滤去。出现问题时较难处理,在电磁兼容试验中会造成CE101(25Hz～10kHz电源线传导发射)测试项超标。

2.3 高频电磁干扰问题

在环节3),PWM控制电路通过控制开关管工作在高频开关状态,将整流滤波后的直流转换为高频脉冲电压(一般为矩形波),在高频脉冲电压的上升沿和下降沿部分(时间很短)具有很大的du/dt、di/dt,这些含有较大能量的电压和电流的瞬变,通过开关器件、变压器和电路中寄生的分布电容和分布电感,产生脉冲电流和脉冲电压,而这些脉冲信号都包含丰富的高次谐波,从而产生很强的电磁干扰。

在环节4),输出整流器件工作于高频开关状态,由于开关型变换器的快速通断性质,整流器件由导通变为截止的时间很短,致使产生反向浪涌电流,又由于电路中存在分布电容和分布电感,会引起高频衰减振荡,从而产生高频电磁干扰。

上述两个环节中产生高次谐波通常频率较高(≥50kHz),会产生高频电磁干扰问题。

2.4 解决措施

为了抑制、消除上述低频和高频电磁兼容问题,目前人们研究开发了多种实用技术和装置[3]。

2.4.1 低频电磁干扰问题解决措施

针对低频电磁干扰问题,目前主要通过采用功率因数校正技术。功率因数校正技术又分为无源和有源功率因数校正技术(APFC)。无源功率因数校正技术电路简单,成本低,但校正效果稍差。而APFC[4]技术因校正效果较好、技术较为成熟,在装备用电源中被广泛采用。增加APFC电路后,整流滤波后的电流波形跟随输入交流电压波形变化,呈现工频正弦波的形式。校正后的电流波形如图4所示。

图4 功率因数校正后的电流波形

图中ch2为电源输入电压波形,ch1为功率因数校正后的对应的电流波形,从图中不难看出,电流波形基本呈工频正弦波变化,由傅立叶展开理论可知,其极大的减小了输入整流滤波环节产生的高频谐波电流含量,进而减小了该环节的电磁干扰。

2.4.2 高频电磁干扰问题解决措施

针对开关电源产生的高频电磁干扰问题,常用措施为在电源输入端加入合适的EMI滤波器,将开关电源内部产生的高次谐波过滤掉,同时滤掉输入电源线上的高次谐波,使电源内部电路不受干扰。通过采用零电压、零电流变换为基础的软开关电路技术、吸收电路、屏蔽技术、布线技术等可以显著减少高频电磁干扰问题的产生,进而减小EMI滤波器的复杂程度、体积和成本。通过上述措施的综合运用,能够使得高频电磁辐射降低到标准规定的范围。

3 影响电子装备EMC的主要因素

通过采用上述措施,在负载和开关电源输出功率比较匹配、供电体系简单且功率较小的情况下,可以将局部电子设备使用的开关电源产生的电磁干扰问题限制在标准要求的范围中。但是,在功率较大(一般≥1KVA)的系统中,随着同类电源的增多、不合理的供电体系的运用以及电磁兼容考核标准的提高,导致整个系统很难满足测试要求。这也是当前舰载系统所面临的电磁兼容难题之一。

3.1 标准要求更高

随着电子装备中开关电源数量和输出功率不断增大,使得诸如功率因数低(无功冲击大)、谐波干扰、高频发射等一系列使电网供电品质恶化的公害问题越来越严重,特别是对容量有限的船舶电网来讲,这个问题更显突出。一方面造成设备的损坏,加速绝缘老化;另一方面也影响电子装备的正常工作,给系统运行的经济性和可靠性带来了危害,影响了装备的正常使用,有时还会破坏舰船的隐身性[5]。为了防止和减小这种危害发生,我国制定的GJB151A-1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求》标准中,对输入功率大于1KVA的系统提出了更高的的低频电磁兼容要求标准。其中CE101极限(50Hz)如图5所示[6]。

图5 CE101极限(50Hz)

其中规定:

1) 在设备和分系统电源小于1kVA的情况下,用连接a、b和c点的连线作极限。

2) 在设备和分系统电源不小于1kVA的情况下,用连接d、b和c点的连线作极限。

由此可以看出,对于大于1kVA的电源系统或设备,对电源线传导发射要求更苛刻。即使单个电源能满足CE101的要求,整个装备电源功率若超出1kVA,电源传导发射也可能会超出CE101的极限值。

3.2 供电体系设计不合理

电子装备由功能、外形、内部组成等逐步向标准化、模块化、组合化发展的各级子设备单元组成。每个子设备单元的供电需求又相对不同,导致每个子设备单元都需要单独的电源模块。其供电方式多采用交流分布式供电。典型结构如图6所示。

图6 某电子装备供电体系结构示意图

交流分布式供电体系由多个AC-DC变换模块组成,每一块电路板或一个装置拥有一个AC-DC变换模块。为了提高电子设备的可靠性,电源设计中需考虑降额、兼容、标准化、冗余等因素,导致电源数量和总输出功率远大于实际负载需求,造成多数电源模块在其设计输出的30%左右的条件下工作,在此负载条件下,电源模块内部的APFC电路处于非最佳工作状态(APFC电路的校正效果与负载大小成正比关系),各路AC/DC电源模块的谐波相互影响、叠加,往往导致整个分系统的电磁干扰(特别是低频传导CE101问题)超标,在输入功率等级1kVA以上的电子装备上表现得尤为严重。输入超过1kVA的电子装备典型测试结果如图7所示。

图7 CE101项典型测试结果示意图

从图7中不难看出,由于采用更严格的考核极限,会导致系统出现单块AC/DC电源不超标,但整个系统超标的现象。特别是在采用滤波元件很难去除的低频部分(≤1kHz),超标问题尤为严重。

4 二次供电体系结构

由于新一代电子装备对电源的可靠性、效率、输出电压路数、动态响应、功率密度、标准化设计、冗余设计等方面的要求越来越高,这些要求是复杂、严格的,有的甚至是相互矛盾的,仅通过提高单个电源模块的技术、工艺水平很难得到解决,必须从装备系统顶层对供电架构进行优化设计,在整体上保证各种性能同时满足要求的供电方案。

参照国内外先进的新型供电体系[7～9],电子装备电源系统设计应采用集中供电加分布式供电的二次供电体系结构。

一次电源主要是把220V或380V交流电转化为48V或24V大功率电源,二次电源把48V或24V转化为更低的电压供给负载使用。拓扑结构如图8所示。

其中,一次电源通常采用APFC+DC/DC拓扑结构,提供一个母线电压(48V或24V),实现稳压、隔离、噪声消除和功率因数校正等功能。直流母线电压经过DC/DC高频开关功率变换,获得满足负载需求的不同大小的直流电压输出,即是二次电源。

依据同样的原理,对于采用三相380VAC供电的功率更大的系统,我们可以采用图9所示的二次供电体系,其中母线电压选择350VDC,有利于减小因后级功率较大时造成的输入母线电流较大的现象,从而减小传输线上所产生的损耗。

图9 大功率系统二次供电体系

采用二次供电体系。对整个电源系统产生的高频10kHz～1MHz电源线传导发射,通过在一次电源的输入端加装合适的滤波器即可较好地解决[10];考虑到冗余设计,二次电源数量增多。但二次电源从一次电源索取的总功率是一定的,只与系统的最终功率需求及二次电源的静态功耗(通常很小,这里可忽略)有关,所以,可以合理设计、选用一次电源,使其设计输出功率和实际工作时的输出功率相匹配(通常工作在70%左右的输出状态),使得内部PFC电路工作在最佳工作状态,能够有效降低输入谐波电流,满足1KVA以上时对CE101项的要求,有效提高电子装备的电磁兼容性。

此外,由于电源系统具有元器件数量减少、热分布均匀、二次电源选用灵活、动态响应性能好、更易冗余设计等特点,可有效提高电源系统的可靠性[11]、热设计性和安全性等方面性能。

5 结语

电子装备的电源设计是装备电磁兼容性设计的重要组成部分,切不可将电源设计孤立于装备电磁兼容性设计之外,应将电子装备的电磁兼容性设计与装备供电体系及电源设计协调统一,实施顶层系统性设计,才能从根本上解决电子装备的电磁兼容性问题,提高电子装备的电磁兼容性设计水平。

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[11] 李滋刚.可靠性设计手册.中国造船工程学会船用电子设备学术委员会,1982.

Power Supply and EMC of Electronic Equipment

SONG Xin1WANG Tingying2

(1. The Military Agent of 716th Research Institute, Lianyungang 222061) (2. Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061)

Aiming at the EMC problems of the naval equipment system brought by switching power supply and distributed AC power system, a new power system is proposed, which includes a concentrative power system and a distributed power system. Both theoretic analysis and experiments prove that the superscale of CE101 on more than 1kVA electronic equipment is greatly reduced in the new power system. It can also decrease the input harmonic current and the harm of the power supply system brought by the electronic equipments. At the same time, it increases the convenience for thermal design, reliability and safety of the system.

electronic equipment, switching power supply, harmonic, EMC

2013年8月2日,

2013年9月30日

宋昕,男,高级工程师,研究方向:海军装备技术。王廷营,男,工程师,硕士,研究方向:电力电子。

TJ391

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.040