共模电感感量设计过大带来的影响

描述

1.背景介绍

某升降门控制器应用在民用场合,需要满足CISPR11 class B group 1限值要求,在做认证摸底测试时,电源端口传导发射(CE)超标严重,研发人员整改三个星期无改善,因认证时间节点压力,寻求帮助分析整改。

2.整改分析

2.1升降门控制器系统简述

升降门控制器系统单相AC220V供电,经变压器转换成24V后,再经过24V电源板给DC电机供电,参见图1。

(a)实物图(打码照)

控制器

(b)布局接线示意图

图1 升降门控制器系统示意图

系统概述:

1)系统所有线缆均使用单根单芯非屏蔽线缆,LN和DC+-线缆无捆扎,无双绞;

2)电源接口与滤波板间线缆约为20cm,滤波板与变压器线缆约为15cm,变压器与24V电源板约15cm,24V电源板与直流电机线缆约25cm;

3)升降门控制器系统采用非金属机身,只有直流电机齿轮箱为金属的结构地。电源接口PE线先接到结构地(长度约20cm),然后再接到滤波板上(长度约10cm);

4)直流电机线与输入电源线平行邻近走线,并行距离约15cm;

5)直流电机电极处进行10nf滤波,滤波板采用LC拓扑,L感量为30mH。

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图2 滤波拓扑与参数

以上状态下的测试结果:

控制器

图3 初扫描测试结果

有结果可知,基本上20MHz以下频段全都超标,特别是2.4MHz和12MHz频点超标15db以上。

2.2整改分析

升降门控制器研发人员已经将共模电感设计到30mH,感值较大。对于此类产品一般7-8mH共模电感已经完全足够,明显是滤波设计不合理。同时部件布局使得输入电源线缆处于噪声回流环路中,会产生场耦合,削弱滤波器作用,参见图4示意图。

控制器

图4 近场耦合示意图

主要的设计缺陷点:

1)滤波器布局没有放置到电源输入端口。

2)滤波器输入线缆太长,且平行于输出线缆走线,且处于噪声环流中;

3)滤波器无机壳屏蔽,且接地线细而长,无法保证接地的可靠性;

4)24V电源板无接滤波设计。

针对上述分析,整改如下:

1)电感引起的谐振分析:

回路滤波电感30mH,共模滤波电容2*4.7nf,拆除滤波器后的线路共模分布电容3nf-5nf左右,全路径通过谐振计算:

控制器

≈2.4MHz。

与测试谐振点对应上,说明2.4MHz左右频点是因为电感值过大导致的,更换10mH电感后,结果如图5,谐振点发生偏移,且幅值减小。

控制器

图5 更换10mH电感测试结果

共模电感感量设计过大带来的影响:

◎使得线圈绕制过密,分布电容增大使得频谱特性变差;

◎容易使得磁芯饱和,为保证不饱和,需要使用更大的磁芯尺寸或采用气隙设计;

◎有较大的压降,且存在过热的风险;

◎过密的线圈绕制,增加料本的同时,增加绕线工时,使得成本上升;

滤波参数设计,不能盲目追求感量越大越好,要有的放矢,否则会适得其反。

2)近场耦合分析:

有图4示意图可知,输入电源线缆会遭受场耦合干扰。所以,将电源输入线缆和滤波板远离电机线,处理方法参见图6 。

控制器

图6 电源接口与滤波板远离电机线

当电源接口与滤波板远离干扰回流路径时,15MHz以下频段效果改善15db以上,参见图7。

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图7电源接口与滤波板远离电机线测试结果

滤波器的布局要靠近端口,且应就近可靠接地,同时要保证输入输出线缆分开走线,不能并行或捆扎在一起走线。

3)24V电源板滤波设计分析:

经过1)和2)步整改后,18MHz左右频点依然超标,经排查此频点为24V电源板产生。经过对24V电源板端口滤波分析发现,端口无滤波,使得18MHz左右的频点噪声路径得不到有效的控制而流经LISN(路径①和②),使得结果较差,示意图参见图8。

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图8 18MHz频点噪声回路示意图

整改方法:

在24V电源板上输入和输出端口增加两处4.7nf的共模滤波,在路径①和②的基础上,增加了③和④路径,使得路径①和②中的噪声电流减弱,改善测试结果,噪声路径分析参见图9所示,测试结果参见图10。

控制器

图9 加滤波后的噪声路径分析示意图

控制器

图10 24V电源板端口加滤波后结果

2.3落地设计分析

因结构已经开模,各部件布置和走线方式无法变更,且24v电源板内部电源为外购模块,无法从源头进行抑制,只能从路径下手。在24V电源板输入输出端口加滤波的措施外,输入电源接口到滤波器间线缆采用屏蔽线,同时滤波器采用屏蔽罩屏蔽,注意屏蔽线和屏蔽罩的可靠搭接。

落地设计滤波参数参见表1:

表1 落地设计滤波参数

控制器

屏蔽处理参见图11所示:

控制器

(a)线缆及滤波屏蔽示意

(b)整改时铜箔屏蔽处理示意

图11 屏蔽处理

设计落地后测试结果(采用屏蔽线和屏蔽罩代替铜箔等临时处理手段):

控制器

图12 设计落地测试结果

3.思考与启示

1)共模电感的感量不能盲目增加,要有的放矢,否则会适得其反产生不必要的谐振;

2)部件布局与走线设计中,要避免输入与输出线的并行走线及噪声环路的场耦合;

3)分析噪声路径,人为进行滤波路径控制,减小流入LISN的噪声信号;

4)非屏蔽电源线缆,应进行双绞处理,减小环路面积;

5)场耦合可采用屏蔽进行抑制,注意搭接的可靠性;

6)滤波接地线缆尽量短,且线径不小于功率线线径。

7)系统化分析噪声源与路径,不能把端口滤波器作为唯一的整改手段,而拼命的加大滤波;

8)工程师要具备EMC设计理念,参与到前期设计中,特别是结构设计中,避免后期“擦屁股”。
       责任编辑:pj

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