高周波スイッチング電源の電磁両立性設計ソリューション

高周波スイッチング電源の電磁両立性設計ソリューション

高周波スイッチング電源自体の電磁干渉（EMI）問題が適切に処理されていない場合、電力網に汚染を引き起こしやすく、他の電気機器の正常な動作に直接影響を与えるだけでなく、空間に電磁汚染を形成しやすく、高周波スイッチング電源の電磁両立性（EMC）問題につながります。この記事では、鉄道信号電源パネルで使用される1200W（24V / 50A）高周波スイッチング電源モジュールの規格を超える電磁妨害問題を分析し、改善策を提案することに焦点を当てています。

高周波スイッチング電源によって発生する電磁妨害は、伝導妨害と放射妨害の 2 つのカテゴリに分けられます。伝導妨害は、30 MHz 未満の周波数で AC 電源を介して伝達されます。放射妨害は、30 MHz から 1000 MHz の周波数で空間を介して伝達されます。

高周波スイッチング電源の電磁妨害源の解析
回路内の整流器と電力管Q1、図1bの回路内の電力管Q2〜Q5、高周波トランスT1、および出力整流ダイオードD1〜D2はすべて、高周波スイッチング電源が動作しているときに電磁妨害の主な発生源です。具体的には次のように分析します。

整流器の整流プロセス中に生成される高次高調波は、電力線に沿って伝導障害と放射障害を引き起こします。

スイッチング パワー チューブは、高周波のオン/オフ状態で動作します。スイッチング損失を減らし、電力密度と全体的な効率を向上させるために、スイッチング チューブのオン/オフの速度はますます速くなり、通常は数マイクロ秒以内です。このような速度でオン/オフすると、サージ電圧とサージ電流が形成され、高周波および高電圧のピーク高調波が発生し、空間と AC 入力ラインに電磁妨害を引き起こします。

高周波トランスT1は電力変換を行う際に交流電磁場を発生し、電磁波を空間に放射して放射妨害を形成します。トランスの分布インダクタンスと静電容量は振動を発生し、トランスの一次段と二次段の間の分布静電容量を介してAC入力ループに結合され、伝導妨害を形成します。

出力電圧が比較的低い場合、出力整流ダイオードは高周波スイッチング状態で動作し、これも電磁妨害の原因となります。

ダイオードのリード寄生インダクタンス、接合容量、逆回復電流の影響により、ダイオードは非常に高い電圧と電流の変化率で動作します。ダイオードの逆回復時間が長いほど、ピーク電流の影響が大きくなります。、外乱信号が強くなり、差動モード伝導外乱の一種である高周波減衰振動が発生します。

生成された電磁信号はすべて、電力線、信号線、接地線などの金属線を介して外部電源に伝送され、伝導妨害を形成します。放射妨害は、ワイヤやデバイス、またはアンテナとして機能する相互接続を介して放射される妨害信号によって引き起こされます。

3. 高周波スイッチング電源の電磁妨害に対する電磁両立性設計
スイッチング電源の入口に電源フィルタを追加して、スイッチング電源によって発生する高次高調波を抑制します。

入力および出力電源ラインにフェライト磁気リングを追加すると、電源ラインの高周波コモンモードが抑制されるだけでなく、電源ラインを通じて放射される妨害エネルギーも低減されます。

差動モード放射のループ領域を減らすために、電源ラインをできるだけ接地線に近づけます。入力 AC 電源ラインと出力 DC 電源ラインを別々に配線して、入力と出力の間の電磁結合を減らします。信号ラインを電源ラインから離して接地線に近づけて配線し、ループのループ領域を減らすためにラインが長すぎないようにします。PCB ボード上のラインの幅は急激にならないようにし、コーナーで円弧遷移を使用し、直角や鋭角なコーナーを使用しないようにしてください。

チップと MOS スイッチ チューブ上のデカップリング コンデンサを、デバイスの電源ピンとグランド ピンにできるだけ近い位置に並列に取り付けます。

アース線にLdi/dtが存在するため、PCB基板とシャーシは銅柱を使用して間接的に接続されます。銅柱での接続に適さないものは、より太い線を使用して近くでアースする必要があります。

スイッチチューブと出力整流ダイオードの両端に RC 吸収回路を追加して、サージ電圧を吸収します。