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不間斷電源(UPS)的電磁兼容設計

一、UPS的電磁兼容特性


隨著人類對電磁波的不斷開發和利用,人們越來越注意到電磁波在造福人類的同時,也存在著危害的一麵,因而,近年來在發達的國家和地區都相繼規定了相關的電磁兼容標準,也出現了很多國際著名的電磁兼容認證機構,例如,銷售到歐洲的電子產品必須通過CE認證,美國則要求通過FCC認證,中國目前逐步要求通過CEMC認證等。


作為信息時代IT產品電源保護的不間斷電源(UPS),它是集自動控製技術、電力電子技術為一體的高功率密度的電源產品,本身既是一個大的電磁波發射源,可能對周圍的環境和設備產生電磁幹擾,同時自身的控製係統又可能受到周圍電磁環境幹擾,使UPS工作故障甚至損壞。所以,高質量的UPS必須具有良好的電磁兼容特性。


二、與UPS電磁兼容相關的標準和要求


針對UPS的電磁兼容特性,目前的相關標準主要有國際無線電幹擾特別委員會的CISPR22-1997《信息設備的無線電騷擾的測量方法和限值》和CISPR-24-1997《信息設備的抗擾度測量方法和限值》,歐洲的EN50091-2(1995)《UPS的EMC要求》,我國與CISPR標準相關的有GB9254-1998《信息設備的無線電騷擾的測量方法和限值》和GB/T17618-1998《信息設備抗擾度限值和測量方法》。


雖然標準不同,但是它們都是以CISPR為依據的,因此標準的基本限值是相同的,對UPS主要的要求具體如下:


1、輸入電源端子的傳導騷擾限值

表1為國標和CISPR標準內容,限值沒有考慮UPS的容量,有明顯不合理的地方;而在歐標EN59001-2中則按UPS的功率容量區分為兩種限值,即25A電流以下的和25A以上的限值不同,相對比較合理。對於輻射騷擾限值,也存在相同的情況,下麵2中的限值也是國標和CISPR的要求。


2、輻射騷擾限值(10m)(表2)

如果采用3m法測試,則根據相關公式可知,上述數值全部加上10。


3、其它相關要求

電池端騷擾:對於UPS的電池端騷擾,可以將它當作UPS係統的組成部分,所有UPS的測試指標是基於UPS係統的,因此可以不單獨考慮;


通訊接口騷擾:對於UPS的通訊接口騷擾,一般與強電信號無直接關係,較易符合相關要求,這裏就沒有給出具體的限值;詳細要求可以查找相關的標準。

輸出電源端騷擾:對於UPS的輸出電源端子的傳導騷擾,目前的國標和CISPR標準沒有給出很明確的要求,通常做法是采用輸入電源端子的騷擾限值,但測試方法有些差異;而在歐洲標準中,則明確規定為輸入電源端子的限值加上14dB,相對鬆一些。


抗擾度要求:對於UPS設備的機箱端口、信號端口、電信端口、電源輸入端口等還必須進行相關的抗擾度實驗,包括電磁場幹擾實驗、靜電放電實驗、浪湧衝擊實驗、電快速瞬變脈衝實驗等;與上述的各種UPS對外騷擾不同,UPS的抗擾度體現UPS在各種電磁幹擾環境下正常工作的能力,出現問題時直接表現為UPS工作故障,用戶容易發現問題,因此是UPS廠家比較重視的可靠性問題;從目前UPS的市場上觀察,絕大多數的UPS在該方麵的符合性較好些。


三、UPS的電磁兼容符合性設計


根據多年來人們對電磁兼容的研究和實踐的經驗表明,假定在產品開發階段解決電磁兼容問題的費用為1,則在型號研製階段解決需要的費用可能為10,到批量生產時解決需要的費用可能達100,到現場安裝時解決需要的費用可能上千倍或者無法解決。因此,UPS電磁兼容的問題必須在產品的開發階段解決。


針對UPS的產品特點,UPS的電磁兼容主要包含以下幾個部分:電源的輸入、輸出傳導幹擾;電源的輻射騷擾;UPS的抗幹擾特性。下麵逐項闡述達到相關標準要求的設計方法。


1、輸入、輸出傳導幹擾的抑製

針對傳導騷擾,可以從三個方麵來考慮:幹擾源、傳導途徑和直接的騷擾抑製。

A、幹擾源的消除和降低:在UPS中有整流的AC/DC變換,有SPWM逆變的DC/AC逆變器,有PFC的高頻變換電路,有DC/DC變換的回路,這些都是UPS內重要的騷擾源,尤其是其中的變壓器、電感、高頻電流回路,因此,合理地設計相應變壓器和電感的參數、加工工藝和在整機中的布局將可能大幅度降低它們的騷擾強度,合理地設計高頻電流的PCB、布線也可以改善UPS的騷擾;對於功率變換器中的驅動電路,可以在不影響效率和內阻的情況下加大驅動電阻,增加開關電源的上升、下降沿時間,從而減少電壓、電流的高頻諧波含量。


B、傳導途徑的抑製:由於所有的傳導幹擾隻有通過適當的空間和導體途徑才可能作用到UPS的輸入、輸出電源端子,因此,盡量減少傳遞的途徑也是減低UPS騷擾的有效方法。例如,將所有的幹擾源安裝在離輸入、輸出端子較遠的位置,輸入、輸出的電源線不從幹擾源附近走線,在幹擾源的進出位置加強抑製處理,通過屏蔽手段將幹擾源和其它部分進行空間隔離,電源的輸入、輸出等分別在整機的相對較遠位置等。


C、直接的騷擾抑製:對於采用上述方法後仍然無法符合標準要求的情況,直接在輸入、輸出回路采用相應的EMI濾波器件,如電感、高頻電容、專用濾波器等將可以再次有效壓低UPS整機對外的傳導幹擾,實踐表明,隻要適當加大濾波器的相關參數和衰減的DB值,一般都可以將UPS的傳導騷擾壓低到標準的限值以內。當然,濾波器的安裝必須越靠近輸入、輸出電源端子越好,因為即使是多幾厘米長的接線也會增大幹擾,插座式的濾波器將是最為理想的選擇。另外,在濾波器中的電容或外加的EMI濾波電容最好是無感的,以增強濾波效果。


2、整機輻射幹擾的抑製

對於UPS的輻射幹擾,主要有兩種方法:輻射源的強度抑製和輻射途徑的處理。

A、輻射源的抑製:在UPS中,輻射源的輻射強度抑製方法基本同傳導的處理相同,因為幹擾源本身即有傳導騷擾又有輻射騷擾;另外,對於輻射騷擾,對輻射源采取適當的屏蔽措施將可十分有效地降低輻射幹擾的電平和能量。


B、輻射途徑的處理:整機外殼的等電位設計:根據電磁場原理,一個接地良好理想密閉的金屬六麵殼體的內外電磁場不存在相互幹擾,因此UPS的外殼一般應作成金屬的,且各個麵之間應良好連接,保證為一個等電勢體,這樣即可十分有效減弱UPS對外的輻射幹擾。一般對於電磁兼容要求嚴格的場合,UPS的殼體不宜采用塑料製作。


進出UPS殼體連線的處理:由於UPS必須有輸入、輸出電源端子、電池擴展端子等連線進出UPS的外殼,因此這些線的防騷擾處理將十分重要,直接影響到測試的結果能否符合標準要求。一般在這些線上適當地加些高頻磁環和高頻電容就會有很好的效果。


3、UPS的抗幹擾設計

UPS的抗幹擾主要體現在控製電路的抗擾性,從電路的性質可分為模擬電路的抗幹擾和數字電路的抗幹擾兩個方麵。良好的抗擾性是保證UPS正常運行的條件,因此,在UPS的控製回路的設計初期就必須將控製電路的抗擾性考慮進去,否則,遇到外界騷擾時整套的控製方案將可能全部推翻。


A、模擬電路的抗幹擾:

對於開環的模擬控製,一般針對可能出現幹擾的部位適當加入一定的RC電路將騷擾消除;對於閉環的模擬控製,除了采用RC外,還必須對閉環的放大倍數的頻率特性進行適當的調整,確保幹擾信號加入時不會對環路產生惡果。

對於功率部分的電路,減短所有的連線、加入假負載、減小功率驅動的回路等都可以有效增強功率電路的抗幹擾能力。


B、數字電路的抗幹擾:

對於數字控製電路,其抗擾性對UPS的可靠性十分重要,因為目前幾乎所有的UPS控製都有采用到數字控製的單片機,抗擾性差的係統將可能導致UPS的停機或損壞。

數字電路電源的有效濾波是數字電路不受幹擾的基本保證;所有的I/O口應有適當的RC處理;控製電路應盡量遠離功率部分;適當的電磁屏蔽措施;良好的PCB布局設計等都可以有效避免數字係統受到外界幹擾。

應明確指出的是,對於UPS閉環的穩壓、同步控製,控製模型的抗幹擾性和軟件濾波處理方法在係統建模時就必須有充分合理的考慮,並在係統調試時做完整實驗。


四、結束語

由上述的討論可知,UPS電磁兼容特性極為重要,且隻有在產品的設計早期采取有效的預防措施,才有可能以較低成本使UPS的電磁兼容特性符合相關標準的要求。


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