在EMC測試中,RS的全稱為Radiated Susceptibility(輻射抗擾度),考察的是電子產品對周圍環境電磁場干擾的敏感度。在開關電源設計中,由于幾乎全是模擬電路,不易受干擾,所以此項測試通常比較容易通過,但是筆者設計的一款開關電源中卻出現了RS測試失效的情況,經過反復調試,最終定位到問題點,現以此篇作分享總結。
這是一款使用TI UCC2801芯片設計的電源,次級輸出端采用雙路運算放大器LM2904分別作電壓及電流反饋,次級側的整改前原理圖縮略如下,測試時失效頻段為300MHZ-500MHZ,場強大小為20V/m,失效現象為電源反復重啟。
調試步驟:
1.確認是否為觸發各種保護的問題:設計中包含浪涌電流抑制保護、輸入欠壓保護和過溫保護,把這些保護功能全部移除后,問題依然存在;
2.確認是否為初級側UCC2801控制芯片的問題:把次級側的電壓電流反饋移除,電壓反饋移動到初級,使用輔助供電繞組進行反饋,問題消失,由此可以得知問題出在次級側的電壓電流反饋電路;
3.確認是否為電壓反饋環路的問題:把電流反饋環路移除,保留電壓反饋環路,問題消失,由此可以確認問題出在電流反饋環路;
4.再次驗證是否為電流反饋環路的問題:在3基礎上把電流反饋環路加上,問題又復現了,由此可以確定是這部分電路被RS干擾出了問題,輸出端過流保護被觸發!!!
由上面原理圖可知,過流保護被觸發的原因無非是串在回路里的電阻上流過了超過設定值的電流,那么為什么RS測試會使輸出端出現了大電流呢?
我們可以從RS的原理上分析:RS測試場地中分布著電磁場,當電磁場穿過閉合環路時,就會在這個環路中產生感應電動勢,用如下公式表示:
U≈S*E*F/48
其中S為環路面積(單位:m^2),E為電場強度(單位:V/m),F為電場頻率(單位:Mhz)。
假如在空間施加一個場強E=20V/m的電場,電路板上次級側環路面積為10cm^2,那么在300MHZ頻率處產生的感應電動勢為:
U≈S*E*F/48=0.001*20*300/48=125mV
125mV的干擾電壓能夠在環路中產生多大電流呢,可以利用仿真進行更直白的觀察:
由仿真電流波形可以看到峰值電流超過了0.8A,而此電源過流保護點設計為0.66A,因此電源進入了保護模式,不斷重啟。
搞清楚了原理,要解決這個問題有以下幾個思路:
1.把過流保護點提高到干擾電流幅值以上,但是這樣做有弊端,一般我們設置保護點比最大負載電流大5%-10%,若設置過高也就失去了過流保護的意義;
2.增大輸出端電流采樣電阻,由U≈S*E*F/48得知,在既定PCB上感應電壓為定值,如果把采樣電阻增大,(I_ocp-I_out)*Rcs也將增大,若此值大于感應電壓,電源也不會進入保護模式。增大輸出端電流采樣電阻的弊端是采樣電阻上的功耗也隨著增大,影響電源轉換效率。
3.增加濾波電路,RS測試頻段為80MHZ-1000MHZ,頻率相對較高,可以考慮增加低通濾波器的方式來將不需要的高頻干擾信號濾除,常用且成本較低的低通濾波器為RC濾波。
此電源輸出電流不大,因此采用方案2、3都可以,方案3是比較完美的,作者選擇了此方案,整改后的原理圖如下: