軍用不間斷電源的電磁兼容設(shè)計(jì)研究

劉勇，李興民

（中國人民解放軍92941部隊(duì)，葫蘆島 125000）

在研制某軍用不間斷電源UPS時(shí)，由于其使用環(huán)境的特殊性，要求該產(chǎn)品具有下列特性：1、良好的抗干擾性：包括兩個(gè)方面內(nèi)容：A、在外界強(qiáng)電磁或電力畸變尖峰的干擾下穩(wěn)定工作；B、本身的輸出應(yīng)該是純凈電源，不能作為一個(gè)干擾源去干擾外界的設(shè)備；2、高可靠性。按照美國軍標(biāo)可靠性預(yù)測方案：MTBF（單機(jī)）（MeanTimeBetween Failures）不低于3萬h，MTBF（系統(tǒng)）不低于15萬 h（響應(yīng)時(shí)間+維修時(shí)間按24h考慮或1+1備份）；3、能夠抗擊沖擊、跌落、震動等軍標(biāo)要求。研制過程中，在對 UPS的 EMC（Electromagnetic Compatibility）設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了嚴(yán)格的測試和設(shè)計(jì)，特別是對傳導(dǎo)輻射，進(jìn)行了深入的研究設(shè)計(jì)，達(dá)到了軍標(biāo)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和EN55022 class-B標(biāo)準(zhǔn)。

1 傳導(dǎo)輻射的來源

當(dāng)電子設(shè)備干擾噪聲頻率小于30MHz時(shí)，主要干擾音頻頻段，電子設(shè)備的電源線對于這類波長的電磁波來說，還不足一個(gè)波的波長（30MHz波長為10m），向空中輻射很小。這樣，若能測得電源線上感應(yīng)的噪聲電壓，就能衡量這一頻段的電磁噪聲干擾程度，這類噪聲就是傳導(dǎo)噪聲。

傳導(dǎo)噪聲由差模噪聲和共模噪聲構(gòu)成。差模噪聲存在于相線L，中線N之間（也可視為存在于L與地線（PE），N與地線（PE）之間，大小相等，相位差1800）；共模干擾噪聲存在于 L與 PE，N與PE之間，大小相等，相位相同。

首先分析輸入傳導(dǎo)噪聲的共模及差模通路：

圖1為UPS交流輸入電路原理圖，采用有源倍壓PFC，輸出+400，-400V的母線電壓。圖中共模噪聲有兩路，一路為正負(fù)母線上的噪聲經(jīng)L1、C6、R1流回大地，一路為0線上經(jīng)L2、C7、R2流回大地；正半周差模噪聲流動回路為 L3、C4、0線、L2、C7、R2、R1、C6、L1、D1，負(fù)半周差模噪聲流動回路為 0 線、C5、L4、D2、L1、C6、R1、R2、C7、0線。差模噪聲主要影響低頻段，共模噪聲主要影響高頻段。由圖可見，共模噪聲和差模噪聲電流都在網(wǎng)絡(luò)流動，電流越大，測出的干擾也越大，所以要想辦法減小網(wǎng)絡(luò)中的共模和差模電流。

在樣機(jī)中沒有充分考慮EMC的設(shè)計(jì)，傳導(dǎo)騷擾噪聲的抑制不夠，結(jié)果嚴(yán)重超標(biāo)，輸入超過EN55022 CLASS B限值最高處達(dá)18dB。

根據(jù)傳導(dǎo)輻射產(chǎn)生的根源，我們從以下幾個(gè)方面做了處理：A、EMI濾波器設(shè)計(jì)；B、電路結(jié)構(gòu)；C、PCB設(shè)計(jì)；改進(jìn)后的UPS經(jīng)過測試，完全達(dá)到要求。

圖1 輸入電路原理圖Fig.1 Input circuit principle diagram

2 EMI濾波器設(shè)計(jì)改進(jìn)

EMI濾波器的作用主要是濾除開關(guān)電源產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾噪聲；另外，EMI濾波器為無源二端口網(wǎng)絡(luò)，滿足互易性，它同時(shí)也可濾除來自電網(wǎng)側(cè)的電磁噪聲。

圖2 EMI濾波器拓樸結(jié)構(gòu)Fig.2 EMI filter topology

EMI后級輸入為PFC電路。由Boost開關(guān)電源噪聲模型知：其共模噪聲等效電路為高阻容性，差模，噪聲等效電路為低阻感性（當(dāng)輸入整流橋開通時(shí)）及高阻容性（當(dāng)輸入整流橋關(guān)斷時(shí)），根據(jù)EMI濾波器設(shè)計(jì)的“阻抗失配”原則，采用如圖2所示拓樸結(jié)構(gòu)的EMI濾波器：

則共模濾波器電路等效電路如圖3所示：

圖3 共模濾波器電路等效圖Fig.3 Common mode filter equivalent circuit

其中Cp為共模噪聲源等效電容，為將其歸一化，在輸入整流“+”，“-”與 PE間接入四個(gè)4700pF的Y電容，即Cp歸一化為18800pF。

取Cy1=Cy2=0.033uF

在未接濾波器時(shí)測得在150KHZ處共模傳導(dǎo)騷擾超過限值18dBuv，取10dB的余量，則fRcm1取90KHz，fRcm2取40KHz，根據(jù)

得：L1=L2=2.4mH

差模濾波器等效電路如圖4：

圖4 差模濾波器電路等效圖Fig.4 Differential mode filter equivalent circuit

其中 L1leakage，L2eakage，分別為共模電感L1、L2的雜散電感，一般為其電感量的 1%即24uH。由未安裝濾波器時(shí)的差模共模噪聲的分離結(jié)果知在150KHz處濾波器需要42dB的差模插入損耗?？紤]10dB余量，則用作圖法在對數(shù)頻率--插入損耗座標(biāo)軸上得出出第一級波器的截止頻率，fR，DM1=15KHz，第二級濾波器截止頻率取 fR，DM2=25KHz時(shí)，能達(dá)到上述要求：

圖5 優(yōu)化前測量結(jié)果Fig.5 Measurement results before optimal design

在前述測試條件下的L線傳導(dǎo)干擾測試結(jié)果見圖5，可見已滿足CLASS B要求，但在28MHz處平均值余量較小，僅0.61dBV。通過對電感電容取值的反復(fù)測量和比較，在此EMI濾波器結(jié)構(gòu)下，平均余量總不能取得滿意結(jié)果。如28MHz處平均值余量從 0.61 dBV增加到 2.22 dBV，但3.55MHz處平均值余量較小，僅1.39dBV。因此我們通過分析電路結(jié)構(gòu)，提出相應(yīng)的辦法，減少了傳導(dǎo)噪聲。

3 電路結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了增加余量，我們分析 PFC主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其差模輸入阻抗為感性，于是分別在正、負(fù)PFC主電路開關(guān)管與電感間并聯(lián)電容，一方面可將PFC差模輸入阻抗歸一化為低阻容性，另一方面可給功率回路去耦，減小功率回路面積。

1.在正負(fù)半周回路上并X電容，由于X電容阻抗較小，PFC紋波電流和差模電流信號絕大部分都從X支路通過，從而使流入PE的差模電流顯著減小。測試結(jié)果低頻段的差模干擾降低。

2.將PFC功率回路并聯(lián)的電容增大到2倍后，在上述測試條件下，測試結(jié)果顯示低頻段已得到很大改善，但在21MHz處，傳導(dǎo)干擾噪聲仍然較大。

3.根據(jù)前面測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，20MHz的傳導(dǎo)干擾噪聲主要是共模分量。于是在 DC/AC的直流母線與PE之間分別并聯(lián)Y電容，在前述測試條件下的L線傳導(dǎo)干擾測試結(jié)果達(dá)到CLASSB要求，但余量不大。

5.為了進(jìn)一步減小傳導(dǎo)噪聲，在EMI濾波器的輸出 PE端串入320H電感，測試條件與前述相同。從測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，平均值余量最小處的1.1MHz處余量為5.68 dBV，完全滿足了要求。測試結(jié)果如圖6所示。

6.為了進(jìn)一步減少傳導(dǎo)噪聲，在上述參數(shù)不變情況下，我們優(yōu)化了PCB布線，通過縮短dV/dt大的支路長度及縮小di/dt大的回路面積，平均值余量最小處余量為6.23 dBV。

圖6 優(yōu)化后測量結(jié)果Fig.6 Measurement results after optimal design

4 結(jié)論

通過測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電路結(jié)構(gòu)相同時(shí)，針對某個(gè)頻率平均值余量優(yōu)化而采用不同參數(shù)，其平均值余量最小處的頻率有所變化，這是由于參數(shù)的變動影響了其傳輸函數(shù)極點(diǎn)的變化。因此傳導(dǎo)輻射的EMC設(shè)計(jì)是綜合性的設(shè)計(jì)，需要對電路、結(jié)構(gòu)、布線等進(jìn)行綜合考慮才能取得良好效果。

采用上述方法，對單進(jìn)單出在線UPS的傳導(dǎo)輻射進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了EN55022 CLASS A標(biāo)準(zhǔn)，通過了GJB151.2中CE03（15kHz～50MHz）和 RE02（14kHz～1GHz）共12項(xiàng)參數(shù)測試。對同類產(chǎn)品具有一定指導(dǎo)作用。

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