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不间断电源(UPS)的电磁兼容设计

一、UPS的电磁兼容特性


随着人类对电磁波的不断开发和利用,人们越来越注意到电磁波在造福人类的同时,也存在着危害的一面,因而,近年来在发达的国家和地区都相继规定了相关的电磁兼容标准,也出现了很多国际著名的电磁兼容认证机构,例如,销售到欧洲的电子产品必须通过CE认证,美国则要求通过FCC认证,中国目前逐步要求通过CEMC认证等。


作为信息时代IT产品电源保护的不间断电源(UPS),它是集自动控制技术、电力电子技术为一体的高功率密度的电源产品,本身既是一个大的电磁波发射源,可能对周围的环境和设备产生电磁干扰,同时自身的控制系统又可能受到周围电磁环境干扰,使UPS工作故障甚至损坏。所以,高质量的UPS必须具有良好的电磁兼容特性。


二、与UPS电磁兼容相关的标准和要求


针对UPS的电磁兼容特性,目前的相关标准主要有国际无线电干扰特别委员会的CISPR22-1997《信息设备的无线电骚扰的测量方法和限值》和CISPR-24-1997《信息设备的抗扰度测量方法和限值》,欧洲的EN50091-2(1995)《UPS的EMC要求》,我国与CISPR标准相关的有GB9254-1998《信息设备的无线电骚扰的测量方法和限值》和GB/T17618-1998《信息设备抗扰度限值和测量方法》。


虽然标准不同,但是它们都是以CISPR为依据的,因此标准的基本限值是相同的,对UPS主要的要求具体如下:


1、输入电源端子的传导骚扰限值

表1为国标和CISPR标准内容,限值没有考虑UPS的容量,有明显不合理的地方;而在欧标EN59001-2中则按UPS的功率容量区分为两种限值,即25A电流以下的和25A以上的限值不同,相对比较合理。对于辐射骚扰限值,也存在相同的情况,下面2中的限值也是国标和CISPR的要求。


2、辐射骚扰限值(10m)(表2)

如果采用3m法测试,则根据相关公式可知,上述数值全部加上10。


3、其它相关要求

电池端骚扰:对于UPS的电池端骚扰,可以将它当作UPS系统的组成部分,所有UPS的测试指标是基于UPS系统的,因此可以不单独考虑;


通讯接口骚扰:对于UPS的通讯接口骚扰,一般与强电信号无直接关系,较易符合相关要求,这里就没有给出具体的限值;详细要求可以查找相关的标准。

输出电源端骚扰:对于UPS的输出电源端子的传导骚扰,目前的国标和CISPR标准没有给出很明确的要求,通常做法是采用输入电源端子的骚扰限值,但测试方法有些差异;而在欧洲标准中,则明确规定为输入电源端子的限值加上14dB,相对松一些。


抗扰度要求:对于UPS设备的机箱端口、信号端口、电信端口、电源输入端口等还必须进行相关的抗扰度实验,包括电磁场干扰实验、静电放电实验、浪涌冲击实验、电快速瞬变脉冲实验等;与上述的各种UPS对外骚扰不同,UPS的抗扰度体现UPS在各种电磁干扰环境下正常工作的能力,出现问题时直接表现为UPS工作故障,用户容易发现问题,因此是UPS厂家比较重视的可靠性问题;从目前UPS的市场上观察,绝大多数的UPS在该方面的符合性较好些。


三、UPS的电磁兼容符合性设计


根据多年来人们对电磁兼容的研究和实践的经验表明,假定在产品开发阶段解决电磁兼容问题的费用为1,则在型号研制阶段解决需要的费用可能为10,到批量生产时解决需要的费用可能达100,到现场安装时解决需要的费用可能上千倍或者无法解决。因此,UPS电磁兼容的问题必须在产品的开发阶段解决。


针对UPS的产品特点,UPS的电磁兼容主要包含以下几个部分:电源的输入、输出传导干扰;电源的辐射骚扰;UPS的抗干扰特性。下面逐项阐述达到相关标准要求的设计方法。


1、输入、输出传导干扰的抑制

针对传导骚扰,可以从三个方面来考虑:干扰源、传导途径和直接的骚扰抑制。

A、干扰源的消除和降低:在UPS中有整流的AC/DC变换,有SPWM逆变的DC/AC逆变器,有PFC的高频变换电路,有DC/DC变换的回路,这些都是UPS内重要的骚扰源,尤其是其中的变压器、电感、高频电流回路,因此,合理地设计相应变压器和电感的参数、加工工艺和在整机中的布局将可能大幅度降低它们的骚扰强度,合理地设计高频电流的PCB、布线也可以改善UPS的骚扰;对于功率变换器中的驱动电路,可以在不影响效率和内阻的情况下加大驱动电阻,增加开关电源的上升、下降沿时间,从而减少电压、电流的高频谐波含量。


B、传导途径的抑制:由于所有的传导干扰只有通过适当的空间和导体途径才可能作用到UPS的输入、输出电源端子,因此,尽量减少传递的途径也是减低UPS骚扰的有效方法。例如,将所有的干扰源安装在离输入、输出端子较远的位置,输入、输出的电源线不从干扰源附近走线,在干扰源的进出位置加强抑制处理,通过屏蔽手段将干扰源和其它部分进行空间隔离,电源的输入、输出等分别在整机的相对较远位置等。


C、直接的骚扰抑制:对于采用上述方法后仍然无法符合标准要求的情况,直接在输入、输出回路采用相应的EMI滤波器件,如电感、高频电容、专用滤波器等将可以再次有效压低UPS整机对外的传导干扰,实践表明,只要适当加大滤波器的相关参数和衰减的DB值,一般都可以将UPS的传导骚扰压低到标准的限值以内。当然,滤波器的安装必须越靠近输入、输出电源端子越好,因为即使是多几厘米长的接线也会增大干扰,插座式的滤波器将是最为理想的选择。另外,在滤波器中的电容或外加的EMI滤波电容最好是无感的,以增强滤波效果。


2、整机辐射干扰的抑制

对于UPS的辐射干扰,主要有两种方法:辐射源的强度抑制和辐射途径的处理。

A、辐射源的抑制:在UPS中,辐射源的辐射强度抑制方法基本同传导的处理相同,因为干扰源本身即有传导骚扰又有辐射骚扰;另外,对于辐射骚扰,对辐射源采取适当的屏蔽措施将可十分有效地降低辐射干扰的电平和能量。


B、辐射途径的处理:整机外壳的等电位设计:根据电磁场原理,一个接地良好理想密闭的金属六面壳体的内外电磁场不存在相互干扰,因此UPS的外壳一般应作成金属的,且各个面之间应良好连接,保证为一个等电势体,这样即可十分有效减弱UPS对外的辐射干扰。一般对于电磁兼容要求严格的场合,UPS的壳体不宜采用塑料制作。


进出UPS壳体连线的处理:由于UPS必须有输入、输出电源端子、电池扩展端子等连线进出UPS的外壳,因此这些线的防骚扰处理将十分重要,直接影响到测试的结果能否符合标准要求。一般在这些线上适当地加些高频磁环和高频电容就会有很好的效果。


3、UPS的抗干扰设计

UPS的抗干扰主要体现在控制电路的抗扰性,从电路的性质可分为模拟电路的抗干扰和数字电路的抗干扰两个方面。良好的抗扰性是保证UPS正常运行的条件,因此,在UPS的控制回路的设计初期就必须将控制电路的抗扰性考虑进去,否则,遇到外界骚扰时整套的控制方案将可能全部推翻。


A、模拟电路的抗干扰:

对于开环的模拟控制,一般针对可能出现干扰的部位适当加入一定的RC电路将骚扰消除;对于闭环的模拟控制,除了采用RC外,还必须对闭环的放大倍数的频率特性进行适当的调整,确保干扰信号加入时不会对环路产生恶果。

对于功率部分的电路,减短所有的连线、加入假负载、减小功率驱动的回路等都可以有效增强功率电路的抗干扰能力。


B、数字电路的抗干扰:

对于数字控制电路,其抗扰性对UPS的可靠性十分重要,因为目前几乎所有的UPS控制都有采用到数字控制的单片机,抗扰性差的系统将可能导致UPS的停机或损坏。

数字电路电源的有效滤波是数字电路不受干扰的基本保证;所有的I/O口应有适当的RC处理;控制电路应尽量远离功率部分;适当的电磁屏蔽措施;良好的PCB布局设计等都可以有效避免数字系统受到外界干扰。

应明确指出的是,对于UPS闭环的稳压、同步控制,控制模型的抗干扰性和软件滤波处理方法在系统建模时就必须有充分合理的考虑,并在系统调试时做完整实验。


四、结束语

由上述的讨论可知,UPS电磁兼容特性极为重要,且只有在产品的设计早期采取有效的预防措施,才有可能以较低成本使UPS的电磁兼容特性符合相关标准的要求。


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