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FTU系統控制板共模浪涌(SURGE)干擾案例分析

發布時間:2017-08-22 責任編輯:susan

【導讀】某廠商在設計和生產FTU系統控制器時,選用具有蓄電池充電功能的AC-DC電源模塊,以滿足FTU由市電220VAC和后備電源供電的要求。該電源模塊本身已符合相關的EMC性能等級要求,但客戶在進行控制器整體EMC共模浪涌測試項目時,發現系統控制板存在復位重啟等工作異常情況。
 
根據客戶反饋其在設計選型時,已結合系統參數選擇滿足對應EMC等級要求的隔離開關電源產品,理應不存在此類工作異常情況。這容易誤以為是電源模塊問題。
 
為此,針對客戶的設計情況,結合相關性能規范要求,進行整體電源設計方案分析和整改。
 
一、原因分析:
 
經溝通排除參數設定錯誤、人為誤判等情況,在客戶依據標準規范要求,針對電源回路進行共模浪涌4級測試時,存在浪涌干擾時控制板出現異常現象,浪涌實驗結束時異常現象同步消失。這說明系統板確實受到共模浪涌干擾。
 
圖1.客戶FTU系統電源方案
 
上圖1為客戶的FTU系統電源方案。如果按照我司常規對EMC的測試操作規范的理解,電源回路打浪涌則應用時在前端AC-DC電源模塊端口進行,共模浪涌干擾的路徑存在于L/N到PE的閉環路徑上。
 
路徑1:AC-DC內部L/N直接到PE;
 
路徑2:通過L/N、AC-DC輸出端、Y電容連到PE;
 
路徑3:通過L/N、AC-DC輸出端、DC-DC模塊、控制板空間耦合到PE。
 
既然控制板受到影響,那么一定是通過路徑3造成的影響。但AC-DC模塊的耐壓隔離分別為3000VAC和1500VDC,加上控制板與PE只能通過空間耦合,因此該問題明顯無法直接判定根本原因。
 
進一步與客戶溝通,發現標準所表明的電源回路其實包括輸入、輸出兩部分,這與單個電源模塊進行電源輸入端的浪涌測試存在差異。客戶就是在AC-DC電源輸出端進行浪涌四級測試時,才出現的異常狀況。
 
二、試驗驗證:
 
按照客戶電壓方案進行AC-DC電源輸出端浪涌測試,則等同于DC-DC電源輸入端浪涌測試。因為VRB-R3系列電源裸機是不具備相應的抗浪涌能力,并且其各類耐壓只有1500VDC。雖然其沒有PE輸入端,但進行4KV的共模浪涌一定會對產品造成損傷,其共模干擾會直接對后端的控制板造成影響;尤其是當控制板與箱體的距離很近時,將形成干擾路徑。經過實際模擬試驗也證實以上的干擾分析。
 
三、整改過程:
 
結合干擾三要素(干擾源、傳播路徑、被干擾對象),干擾源即為符合標準要求的共模浪涌4級,這因素是無法進行消除和改變;被干擾對象是其控制電路無法直接參與修改;因此只能通過傳播路徑進行優化整改。
 
優化措施1:在傳播路徑上進行干擾信號旁路處理
 
如圖1所示,若直接將Y電容更換為20D470K壓敏電阻進行鉗位,且后端DC-DC又具備一定隔離能力,客戶整體實驗結果確認OK。但此類系統標準規范要求AC-DC的輸出端對其PE端滿足2.5KVAC的隔離耐壓。而殘壓低的熱敏電阻無法滿足該耐壓要求,因此該優化措施不可行。客戶需針對遙信端口打靜電,在確保耐壓測試的漏電流不超標情況下,也需要保留這Y電容。
 
優化措施2:在傳播路徑上進行信號抑制處理
 
如下圖2所示,添加FS-A01D即為在重播路徑上進行浪涌干擾抑制,同時將DC-DC電源模塊更換為隔離耐壓3000VDC的URF-R3系列,進一步提升干擾信號的抑制能力;在AC-DC輸出的直流電壓正負直接并聯20D470壓敏電阻,避免浪涌瞬間直流電壓波動影響;同時建議客戶排查其控制板是否存在外接的線路與外殼太近,需用用膠帶固定避免安裝時貼近外殼。
 
圖2.優化整改的FTU系統電源方案
 
四、總結:
 
1.分析方法:首先需要精準的定位問題發生的根源——因系統標準與單電源模塊的規范要求有差異,針對配網自動化的浪涌測試包括AC-DC電源輸出回路。確認問題的起因之后,才能針對問題進行理論層面的猜測和實驗確認。
 
2.方案優化:舊方案問題在于初步選擇器件規格時,同樣忽略了標準的差異,使得后端DC-DC模塊隔離抑制能力不足,且未進行浪涌防護。新方案整改時,需要全面了解客戶整體系統的相關要求,避免將浪涌問題轉移為耐壓問題,或靜電問題。
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