郭永鋒 闊超

摘要：本文論述了一種電源模塊通過(guò)濾波電路設(shè)計(jì)、內(nèi)部電源變換改進(jìn)設(shè)計(jì)、電流電壓調(diào)整參數(shù)、PCB布局調(diào)整等改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得電源模塊的從帶載能力及最大功率使用上滿(mǎn)足了設(shè)備使用要求。

關(guān)鍵詞：濾波;抑制;變化;調(diào)整

1.前言

某開(kāi)關(guān)電源用于通信設(shè)備中，用于將輸入的直流電源轉(zhuǎn)換為多路直流電源，用于機(jī)通內(nèi)各單元的電源輸入。該開(kāi)關(guān)電源是一款多路輸出的、多功能的模塊，具有輸入反接保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、浪涌保護(hù)、尖峰抑制、應(yīng)急控制等功能。

由于電源模塊在使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)模塊帶載能力較差，最大功率不能滿(mǎn)足設(shè)備使用，所以，需要對(duì)該電源模塊提升帶載能力以及提高最大功率使用以滿(mǎn)足設(shè)備需求。

2.電路原理介紹

電路原理為通過(guò)濾波處理、浪涌及尖峰抑制處理，并經(jīng)電源隔離處理后輸出相對(duì)應(yīng)的需要電壓接口。本文主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1.EMI濾波電路設(shè)計(jì)

DC-DC變換器中，由于寄生參數(shù)的存在以及開(kāi)關(guān)管的高速導(dǎo)通和關(guān)斷，使得變換器在輸入輸出端產(chǎn)生較大的干擾噪聲。干擾噪聲是差模分量和共模分量共同作用的結(jié)果。差模噪聲就是通常意義上的噪聲，產(chǎn)生的干擾信號(hào)與工作信號(hào)將以電勢(shì)源的形式串聯(lián)加于變換器的輸入端，會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生直接的影響。共模噪聲發(fā)生在每根傳輸線(xiàn)和地線(xiàn)之間。共模干擾是由共模電流引起的，DC-DC變換器中的各器件之間和器件與機(jī)殼之間都存在寄生電容，導(dǎo)線(xiàn)存在寄生電感，這些寄生參數(shù)構(gòu)成了一個(gè)寄生傳輸網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)高速開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖序列——脈沖源，該脈沖源通過(guò)寄生傳輸網(wǎng)絡(luò)在變換器的輸入、輸出線(xiàn)與地線(xiàn)之間產(chǎn)生共模電流干擾。

電磁干擾從設(shè)備內(nèi)發(fā)射出來(lái)或進(jìn)入設(shè)備只有兩個(gè)途徑，就是空間電磁輻射的形式和電流沿著導(dǎo)體傳導(dǎo)的形式?，F(xiàn)在已發(fā)現(xiàn)輸入輸出濾波器不僅對(duì)電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射（CE102）和傳導(dǎo)敏感度（CS101）的測(cè)試有作用，還對(duì)輻射發(fā)射（RE102）、電纜束注入傳導(dǎo)敏感度和靜電放電的測(cè)試也有作用，因?yàn)橥ㄟ^(guò)試驗(yàn)已證明電源線(xiàn)及各種輸入輸出引線(xiàn)產(chǎn)生的輻射遠(yuǎn)高于線(xiàn)路板本身的輻射及機(jī)殼機(jī)箱屏蔽不完整所產(chǎn)生的輻射，設(shè)備引線(xiàn)是主要的輻射源同時(shí)又是敏感度很高的接收器，在EMC測(cè)試中輻射敏感度、電纜束注入敏感度、靜電放電等測(cè)試會(huì)在電源線(xiàn)上產(chǎn)生共模電壓，當(dāng)共模電壓轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅ｋ妷簳r(shí)，就會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響。

EMI濾波器主要用來(lái)濾除導(dǎo)線(xiàn)上的電磁干擾，由于電磁干擾的頻率范圍很寬，一般從幾十kHz到幾百M(fèi)Hz，因此濾波器的有效濾波頻率要覆蓋這么寬的范圍。由于DC-DC變換器的主要干擾源是由開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的高次諧波，以及高頻電磁波更容易接收而對(duì)設(shè)備造成干擾，因此這些干擾均以高頻為主，所以EMI濾波器采用低通濾波器。

低通濾波器的電路形式有多種。濾波器的選擇主要取決于要抑制的干擾頻率與工作頻率之間的差別和濾波器所接電路的阻抗。但是實(shí)際電路的阻抗很難估算，特別是在高頻時(shí)，由于電路受雜散參數(shù)的影響，電路的阻抗變化很大，而且電路阻抗在不同的頻率上也不一樣。因此，在實(shí)際電路中，哪一種濾波器更有效，主要靠試驗(yàn)的結(jié)果確定。

產(chǎn)品中設(shè)計(jì)的EMI濾波器電路如圖2。圖2中的C1、C2、C3、L1構(gòu)成差模濾波電路以濾除差模干擾。 C4、C5、L2構(gòu)成共模濾波電路以濾除共模干擾。C4、C5用的Y電容（跨接在正線(xiàn)和回線(xiàn)與機(jī)殼之間，對(duì)共模電流起旁路作用，共模濾波電容一般取10000pF以下）。同時(shí)，將輸入、輸出端正線(xiàn)和回線(xiàn)同向共磁芯繞制成共模電感L1，抑制共模噪聲干擾。

2.2.內(nèi)部電源變換部分設(shè)計(jì)

2.2.1.電路拓?fù)溥x取

根據(jù)需求分析，通過(guò)內(nèi)部的母線(xiàn)變換器實(shí)現(xiàn)功率隔離轉(zhuǎn)換。功率隔離轉(zhuǎn)換電路采用反激拓?fù)潆娐穼?shí)現(xiàn)。 該拓?fù)潆娐肪哂校涸骷?shù)量少、轉(zhuǎn)換效率高、電路簡(jiǎn)單、器件選取方便等特點(diǎn)。

2.2.2.電路拓?fù)浞治?/p>

單端反激電路拓?fù)鋱D如圖3所示。

反激式變壓器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源通過(guò)改變控制開(kāi)關(guān)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓和對(duì)儲(chǔ)能濾波電容的充、放電電流來(lái)達(dá)到穩(wěn)定電壓輸出。

2.2.3.變壓器設(shè)計(jì)

結(jié)合用戶(hù)的功率需求，變壓器的磁芯選用了輸出功率容量大、高度低、PC40材質(zhì)的通用鐵氧體磁芯。在變壓器的線(xiàn)徑選取上，經(jīng)精心計(jì)算，選用合適的高強(qiáng)度漆包線(xiàn)和絕緣材料達(dá)到變壓器的磁損與銅損的平衡。

2.3.電流、電壓調(diào)整率

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，每路輸出電壓采用電阻進(jìn)行電壓采樣，通過(guò)運(yùn)放組成負(fù)反饋控制回路進(jìn)行控制。合理設(shè)計(jì)電路中相關(guān)參數(shù)，確保電流、電壓調(diào)整率滿(mǎn)足要求。

3.小結(jié)

通過(guò)對(duì)電源模塊進(jìn)行濾波電路、內(nèi)部電源變換、電流電壓調(diào)整率等設(shè)計(jì)改進(jìn)，使得電源模塊的帶載能力及最大功率滿(mǎn)足了設(shè)備需求。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 何宏，杜明星，張志宏.清華大學(xué)出版社，2017.