电源模块抗浪涌干扰整改实例分析

2018-9-26 15:57:19

2207 电源浪涌 PFC

　　摘要：通过开关电源模块抗浪涌干扰整改案例，分析得出电源板在浪涌冲击试验时出现故障的主要原因是存在过电压保护电路和PFC电路设计缺陷，并提出了增加控制电路抗干扰性的改进设计方案。整改后，再次进行浪涌注入试验，设备不再重启。
　　引言
　　开关操作、电容器组的切换、晶闸管的通断、对地短路或电弧故障等都可以在电网上产生过电压或过电流。
　　浪涌冲击试验即是模拟这种过电压和过电流的干扰试验。连接到电网上的电子设备都有浪涌冲击抗扰度的要求，一般是根据GB/T 17626.5规定的测试方法进行试验。
　　在标准中强调被测设备处于工作状态，要求不能改变工作模式、不能有数据丢失。目前开关电源设计中频率逐渐升高、数字控制部分越来越多，对干扰越来越敏感。在抗干扰试验中很多故障都是因为控制电路设计不合理导致的。下面通过一个实际案例说明开关电源在抗干扰试验中遇到的典型问题及设计中应注意的细节。
　　1 被测产品
　　被测产品是一个使用220 V 交流供电的电子产品，主要由电源模块和数字处理模块组成，如图1 所示。本次试验主要针对电源的抗干扰问题，介绍电源模块的组成及原理。
　　这个电源由输入单元、有源功率因数校正单元、开关功率转换及输出单元组成。其中有源PFC即主动式PFC使用主动组件、控制线路及功率型开关式组件，基本运作原理为调整输入电流波型使其与输入电压波形尽可能相似，功率因素校正值可达近乎100%.另外主动式PFC可使电源供应器输入电压范围从90V直流）扩增到264 V（直流）。功率转换单元包括电子开关、脉宽调制控制及反馈等功能；输出单元包括二次整流和平滑滤波等功能。
　　2 试验现象
　　这是一个对数字电子产品进行浪涌冲击试验的案例。这款电子设备采用220V交流供电，经过内部电源模块（包括开关电源及控制电路）变为53V直流供后面的数字电路使用。
　　按照GB/T 17626.5规定的测试方法，对这款设备的AC输入端口注入2kV的混合波时，发现设备重启。首先判断是电源部分导致的重启还是因为数字处理电路部分受到干扰导致的重启。反复进行试验，监测电源输出和重要的系统启动等信号状态，发现在浪涌冲击时电源输出的直流电压中断。
　　从示波器抓到的电源输出波形图可以看出，电源模块的输出中断大概100ms并自动重启恢复输出53.5V.
　　期间电源模块前面板绿色指示灯闪烁一次。为确认不是后面数字电路的影响，把电源模块单独拿出来连接电阻负载重新进行试验，复现了这种情况。
　　3 问题分析
　　（1）首先，怀疑在浪涌注入时整流器次级MCU重启。但是在增强次级辅助电源滤波器和重启管脚的滤波器后没有什么作用。检查这个MCU的信号管脚，并没有错误发生。所以这个整流器停止工作原因在初级。
　　（2）其次，在做过多次测试后，确定AC侧过压检测电路动作。这个过压动作原因是浪涌的尖刺进入到电压保持电路中。通过图可知，这里没有保持时间，当浪涌注入时，这个输入过压电路立刻动作。正常的过压保护点在300V.

　　这个峰值检波器总是很敏感，采用RC滤波器就可以滤除浪涌尖刺，避免下一个比较电路动作，如图所示。

过电压检测电路

修改后的过电压检测电路

　　（3）第三，修改了过电压检测电路后重新进行浪涌冲击试验，电源输出仍然会中断。在优化峰值检波器电路后，这个输入过压保护电路在浪涌注入时就不会动作了。但是PFC会控制IC停止工作导致整流器没有输出。
　　当浪涌进入到AC端口时，一个大的浪涌电流中一小部分会通过PFC的电流采样电阻。通过这个采样电阻，一个较大的负峰尖刺就产生了，并干扰PFC的控制IC进入保护模式一定时间。期间电源模块仍然是工作的。
　　在浪涌发生后，PFC控制IC停止工作但开关电源模块仍然保持输出。链路电压跌落最后也导致了电源模块输出跌落并最后中断。
　　我们在控制IC的检测管脚增加了钳位二极管，如图6所示。修改后再次进行浪涌注入试验，就没有保护产生了。
　　4 结语
　　导致电源模块抗浪涌试验失败的因素很多，在实际的电源设计中应仔细检查，尤其是电源的控制信号回路必须设计一定的抗干扰能力，才能保证整机的抗干扰性能