スイッチング電源による電磁両立性の原因
24Vスイッチング電源は高電圧、大電流のスイッチング状態で動作し、電磁両立性の問題の原因は非常に複雑です。機械全体の電磁両立性から見ると、主に共通インピーダンス結合、線間結合、電界結合、磁界結合の電磁波結合があります。電磁両立性の3つの要素は、干渉源、伝播経路、干渉対象です。共通インピーダンス結合は主に干渉源と干渉対象物の間の共通の電気インピーダンスであり、干渉信号はこれを介して干渉対象物に入ります。線間結合は主に、平行配線による干渉電圧と干渉電流を生成するワイヤまたはPCBラインの相互結合です。
電界結合は主に電位差の存在と誘導電界が妨害物体に結合することによって生じます。磁界結合は主に高電流パルス電力線付近で発生する低周波磁界が妨害物体に結合することによって生じます。電磁場結合は主にパルス電圧または電流によって発生する高周波電磁波が空間を通じて外向きに放射され、対応する妨害物体に結合することによって生じます。実際、各結合方法を厳密に区別することはできませんが、焦点は異なります。
24Vスイッチング電源では、主電源スイッチ管が非常に高い電圧で高周波スイッチングモードで動作します。スイッチング電圧とスイッチング電流は方形波に近くなります。スペクトル分析から、方形波信号には豊富な高次高調波が含まれていることがわかります。この高次高調波のスペクトルは、方形波周波数の1000倍以上に達することがあります。同時に、電源トランスの漏れインダクタンスと分布容量、および主電源スイッチングデバイスの非理想的な動作条件により、高周波でオンまたはオフにするときに、高周波および高電圧ピーク高調波振動が頻繁に発生します。この高調波振動は高次を生成します。高調波は、スイッチ管とラジエーター間の分布容量を介して内部回路に導入されるか、ラジエーターとトランスを介して空間に放射されます。
これは整流ダイオードとフリーホイールダイオードに使用され、高周波干渉の重要な原因でもあります。整流ダイオードとフリーホイールダイオードは高周波スイッチング状態で動作するため、ダイオードのリード寄生インダクタンス、接合容量、および逆回復電流の影響により、非常に高い電圧と電流の変化率で動作し、高周波振動を生成します。整流ダイオードとフリーホイールダイオードは一般に電力出力ラインに近いため、それらが生成する高周波干渉はDC出力ラインを介して簡単に伝達されます。
24Vスイッチング電源の力率を改善するために、能動力率正回路が使用されています。同時に、回路の効率と信頼性を向上させ、パワーデバイスの電気的ストレスを軽減するために、ソフトスイッチング技術が広く使用されています。その中でも、ゼロ電圧、ゼロ電流、またはゼロ電流スイッチング技術が最も広く使用されています。この技術は、スイッチングデバイスによって発生する電磁干渉を大幅に低減します。ただし、ほとんどのソフトスイッチングロスレス吸収回路は、エネルギー転送にLとCを使用し、ダイオードの一方向伝導性能を利用して一方向エネルギー変換を実現します。そのため、共振回路内のダイオードは電磁干渉の主な発生源となっています。
24Vスイッチング電源では、エネルギー貯蔵インダクタとコンデンサが一般的に使用され、LおよびCフィルタ回路を形成して差動モードとコモンモードの干渉信号をフィルタリングし、AC方形波信号を滑らかなDC信号に変換します。インダクタコイルの分布容量により、インダクタコイルの自己共振周波数が低下し、多数の高周波干渉信号がインダクタコイルを通過し、AC電源ラインまたはDC出力ラインに沿って外側に伝播します。干渉信号の周波数が高くなると、リードインダクタンスの影響により、フィルタコンデンサの静電容量とフィルタリング効果が低下し続けます。共振周波数が共振周波数を超えるまで、コンデンサは完全に機能を失い、誘導性になります。フィルタコンデンサの不適切な使用とリードが長すぎることも、電磁干渉の原因となります。
24Vスイッチング電源は電力密度が高く、高度なインテリジェンスを備えているため、MCUマイクロプロセッサを搭載しています。そのため、数キロボルト近くの高電圧信号から数ボルトの低電圧信号まで、高周波デジタル信号から低周波アナログ信号まで対応できます。信号および電源装置内のフィールド分布は非常に複雑です。無理なPCB配線、無理な構造設計、無理な電源ライン入力フィルタリング、無理な入出力電源ライン配線、CPUおよび検出回路の無理な設計はすべて、システム動作の不安定化や、静電放電や急速な電気的過渡現象などの問題につながります。可変パルスバースト、落雷、サージおよび伝導干渉、放射干渉、放射電磁場に対する耐性の低下など。
