转换器在测试浪涌抗扰度时振荡

直流电源与DC-DC转换器输入电容之间的去耦网络内的电感会导致振荡，从而导致启动故障和设备损坏。如果不采取缓解措施，IEC 61000-4-5浪涌测试期间使用的设备特别容易引起振荡。下面探讨了振荡的原因以及可以采取哪些措施来避免振荡。

浪涌抗扰度测试要求 （IEC 61000-4-5）

测试目标

该测试的目的是评估被测设备（EUT）在电源和互连线路上的高能干扰（浪涌脉冲）下的性能。这些干扰可能是由开关和雷电瞬变的过电压引起的

浪涌通常应用于交流（或直流）电源输入端口，但在某些标准中，它也应用于信号端口。

浪涌脉冲通常通过源阻抗直接耦合到信号 （例如，电阻为 10 Ω，电容串联为 9 μF）。

耦合-去耦网络（CDN）通常包含在抗扰度测试系统内，有助于在浪涌测试期间保护电源或辅助设备。

问题定义

该问题与CDN内部存在电感有关，该电感用于将直流电源与DC/DC转换器解耦，并组合了转换器的电容。CDN中使用的电感越高，预期的振荡概率就越高。相反，转换器的输入电容越高，振荡的可能性就越小。

一旦通过 CDN 连接了 EUT，当前设计的转换器可能无法上电或振荡。在某些情况下，这些振荡可能会导致被测设备损坏。

以前用于旧转换器输入电路中用于存储导通周期之间能量的大型存储电容器在最近的设计中被消除或大幅减少，以满足其他重要的转换器特性（浪涌电流或输入放电时序要求）。

修正注意事项

提高直流电源的输入电压

施加的输入电压越高，预期的振荡概率就越低。此外，重要的是要确保直流电源电压调整得足够高，以补偿 CDN 和输入线上的损耗（例如，使用 300 W DC/DC 转换器功率为 24 V，CDN 具有 0.5 Ω串联阻抗，CDN 上的压降约为 7 V）。此外，铁路标准EN 50121-3-2定义，浪涌测试应在最大输入工作电压下进行（例如，对于电池电压为137 V的应用，应在5.110 V下进行测试）。

降低负载输出电流

输出功率越低，从源极汲取的输入电流越低——负载足够低时，振荡就会消失。

使用具有更高额定电流的 CDN

它们通常具有较低的去耦电感和较低的串联电阻，从而在给定的线路和负载条件下降低振荡概率。标准IEC 61000-4-5中定义的通用浪涌抗扰度要求未指定CDN电感的参数。因此，市场上有各种CDN设备，导致一些测试实验室使用具有相当高电感的CDN，其中DC / DC转换器可能会振荡。相反，可能有实验室使用电感较低的CDN，而不会观察到不稳定。CDN 的典型电感约为 1 mH（每个极）。

振荡的原因和可能的解决方案

理论解释 （1/4）

开关“SW”导通（或电路中引入其他变化/步进）后，该LC电路中会出现频率为“fr”的谐波振荡。

fr = （1/2pi） * （1/sqrt（L*C））

由于没有倾倒元件将能量从扼流圈的磁场耗散到电容器的电场并返回，因此电容器电压和扼流圈电流的振荡以恒定的幅度永远持续。

理论解释 （2/4）

一旦电路中连接了耗散元件（电阻“Rdump”），扼流圈和电容器之间的能量传输就会有损耗，振荡幅度也会随时间减小。

理论解释 （3/4）

如果连接了稳压功率转换器而不是倾倒电阻（负载），则幅度不会被倾倒，而是及时放大。

这是由于转换器的稳压器在其输入电压下沉时增加其输入电流（以保持功率输出恒定）。

这可以用虚项负阻抗/电阻表示，与倾倒电阻（负电阻将能量提供给谐振电路）相比具有相反的效果。

-R = dv/di = （Vin1-Vin2） / （Iin1-Iin2） = （Vin1-Vin2） / （P/Vin1 – P/Vin2）

其中P是转换器的输入功率。

理论解释 （4/4）

为了补偿这种影响，需要在电路中增加至少相等的倾倒电阻“R”。为了获得足够的倾销，“R”的值应该相当低。

倾倒电阻“R”的并联会在直流条件下产生额外的显著耗散。因此，最好使用电阻“Rs”和电容器“Cs”的串联，以更有效地抑制振荡。

用于缓解浪涌测试期间振荡的可用解决方案

 

溶液	优势	弊
阻尼电阻与电容器的串联组合	不需要浪涌限制器 可用于单级设计	在电路板上需要一些空间 增加产品成本
输入电容	可用于单级设计	需要浪涌限制器电路 电路板上需要大空间 增加产品成本
限制转换器调节环路的带宽	不需要浪涌限制器 不影响产品成本 不需要额外的空间	对单级设计无效 影响动态响应

 

审核编辑：郭婷