CN102075091B - 极低谐波干扰电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种极低谐波干扰的电源装置，其特征是金属管壳(8)上面设有四层整体铺铜的PCB板组成的滤波层(1)，滤波层(1)底部设有输入及输出EMI滤波电路(1b)；金属管壳中间设有四层整体铺铜的PCB板组成的屏蔽层(7)、下面设有主控层(9)，主控层上设置有PWM控制电路、功率开关管交流回路、输出整流器交流回路等。滤波层与主控层上连接穿心电容(3)，其地线接入金属管壳，输入输出导线通过穿心电容进入或离开金属管壳。本发明有益效果为：且极大地降低了电源模块对外的电磁辐射，抗干扰能力较强；输出谐波极低，是同类通用DC/DC电源模块的1/5左右，全带宽范围谐波干扰信号低于20mV，能够很好地应用于对谐波要求比较高的抗电磁环境设备中。

Description

极低谐波干扰电源装置

技术领域

本发明属于电源技术领域，特别是一种输入电压范围宽、输出谐波干扰极低的电源装置。

背景技术

抗电磁环境设备中，由于其要求体积小，输入电压范围宽，供电系统中大量使用了DC/DC电源模块，而DC/DC电源由于其工作模式的缘故，必然产生谐波干扰，串入后级电路中，影响后级电路正常工作。例如光纤陀螺采集到的信号有时幅度比较小、脉冲宽度又窄，如果使用的电源模块产生的谐波比较大，会造成系统无法提取有用信号或误把谐波信号认为是有用信号进行采集处理。

DC/DC电源产生的谐波为共模干扰信号，采取一般的LC滤波电路进行滤波，收效甚微，对滤除谐波干扰信号基本上不起作用。由于谐波干扰滤除比较困难，目前通用DC/DC电源模块谐波干扰都比较大，不适合在对谐波干扰要求比较高的系统中使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极低谐波干扰的电源模块，能够应用于要求输入电压范围宽、谐波干扰信号极小的抗电磁环境设备中。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种极低谐波干扰电源装置，包括安装在壳体内的输入EMI滤波电路、功率开关管交流回路、输出整流器交流回路、输出EMI滤波电路、PWM控制电路以及隔离反馈电路，其特征在于：所述的壳体为金属管壳，金属管壳中采用了以下滤波措施：

a、最上面设有一个由四层PCB板组成的滤波层，其中顶层PCB板的下面和底层PCB板的上面铺铜，中间两层PCB板均为两面铺铜，四层PCB板铺铜面之间绝缘，用导电螺钉将四层铺铜PCB板与金属管壳连接，底层PCB板的下面设有输入EMI滤波电路以及输出EMI滤波电路，两滤波电路的地线与中间铺铜层蚀刻的线路电连接并接入金属管壳；

b、中间设有一个由四层PCB板组成的屏蔽层，四层PCB板均为两面铺铜，铺铜面之间绝缘，且顶层和底层为裸露铜箔，与金属管壳电连接，并用导电螺钉固定到金属管壳上；

c、最下面设有一个由四层PCB板组成的主控层，其中顶层PCB板的下面和底层PCB板的上面铺铜，中间两层PCB板均为两面铺铜，四层PCB板铺铜面之间绝缘，主控层上设置有PWM控制电路、功率开关管交流回路、输出整流器交流回路和隔离反馈电路，上述电路的地线与中间铺铜层蚀刻的线路电连接并接入金属管壳。

在上述基本技术方案的技术上，增加进一步的技术方案：

根据需要，设置一组穿心电容穿过并连接于滤波层与主控层上，电源装置的输入及输出导线均通过穿心电容进入或离开金属管壳屏蔽体，并且每个穿心电容地线端接入金属管壳屏蔽体上。

本发明采用金属管壳，实现高斯外壳的作用，使电源装置成为一个屏蔽体。中间的屏蔽层，与金属管壳电连接良好，与金属管壳形成电磁屏蔽装置；最上面的滤波层和最低下面的主控层采用穿心电容进行电学连接，这样的结构作用是实现了整个产品对外辐射屏蔽的作用。

另一方面，本发明还在电源装置中的电路部分作出了以下改进：

a、输入EMI滤波电路中，在电源输入端设有两个电容C20、C21和一个共模扼流圈L1组成一个二阶共模滤波器，二阶共模滤波器后连接由两个共模电容以及一个差模电容组成的平衡线EMI滤波器E1，其中两个共模电容共同端接入金属管壳，通过平衡线EMI滤波器E1的输出分别进入大功率贴片EMI滤波器E2和E3，滤波器E2和E3都是由两电容夹一电感组成，经过以上滤波处理的电源分别通过穿心电容E4和E5作为输入EMI滤波电路的输出端Q1及Q2；

b、功率开关管交流回路中，在输入端Q1及Q2之间串接一个由二极管D2、D3、电感L2和电容C1组成的无源无损吸收电路，其中电容C1跨接在MOS管D1与电感L2之间；设置由电感L6、电容C2组成的谐振吸收电路，其中电感L6串接于变压器TR与MOS管D1之间，电容C2跨接于变压器TR与MOS管D1之间；

c、输出整流器交流回路中，设置一个跨接于二极管D18两端的由电阻R56、电容C60组成的RC吸收回路，和一个跨接于二极管D19两端的由电阻R57、电容C61组成的RC吸收回路；

d、输出EMI滤波电路的组成与输入EMI滤波电路相同。

电源装置谐波干扰主要与输入EMI滤波电路、功率开关管交流回路电路、输出整流器交流回路电路以及输出EMI滤波电路四个部分有关。本发明设计在这四个电路中均采取了相应的滤波以及吸收电路，使谐振干扰得到了很好的抑制。在输入输出电路中采用了共模电感、平衡线EMI滤波器、大功率贴片EMI滤波器以及穿心电容等滤波措施，阻止谐波干扰进入周围电路；在功率开关管交流环路中采取了无源无损吸收电路以及在开关管漏源极并联谐振电容，减小开关管在不停的开关过程中产生的谐波尖峰；在输出负载电流环路中采取了整流管并联RC吸收电路，减小整流管反向关断产生的谐波尖峰。在产品输入输出点处使用了相应的EMI滤波器，使通过导线传导的谐波干扰得到抑制，从而实现极低谐波干扰电源的设计要求。

本发明具有以下优点：

1、在输入输出回路中使用多层次馈通滤波方式，有效抑制谐波干扰流入或流出电源装置；

2、在电路中采用了多种谐波吸收电路，有效吸收降低了谐波干绕信号；

采用立体组装的金属管壳与多层PCB板形成屏蔽体，并将屏蔽体作为电源装置系统地，对谐波干扰进行有效吸收；

3、电源输入输出通过穿心电容进入或离开屏蔽体，穿心电容接地端接入屏蔽体外壳上，有效阻止了谐波干扰信号流入或流出屏蔽体；

4、在输入输出导线进入和离开屏蔽体处均使用了相应的EMI滤波措施，使通过导线传导的谐波干扰得到很好的抑制。

本发明与现有技术相比，其有益效果为(1)由于该产品设计为一个屏蔽体，抗干扰能力比较强，且极大地降低了电源模块对外的电磁辐射；(2)由于该产品对谐波干扰采取了有效地抑制措施，该产品输出谐波极低，是同类通用DC/DC电源模块的1/5左右，全带宽范围谐波干扰信号低于20mV，能够很好地应用于对谐波要求比较高的抗电磁环境设备中。

附图说明

图1是本发明极低谐波干扰电源装置的电路框图。

图2是本发明极低谐波干扰电源装置输入EMI滤波的电路图。

图3是本发明极低谐波干扰电源装置功率开关管交流回路的电路图。

图4是本发明极低谐波干扰电源装置输出整流器交流回路的电路图。

图5是本发明极低谐波干扰电源装置输出EMI滤波的电路图。

图6是本发明极低谐波干扰电源装置的俯视图；

图7是图6的A-A剖视图；

图8是图6的B-B剖视图；

图9是图6的C-C剖视图；

图10是图7的D部放大视图；

图11是图8的E部放大视图；

图10是图9的F部放大视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳实施作进一步详细描述：

一、电路部分：

由图1所示，本发明极低谐波干扰电源装置主要由输入EMI滤波电路，PWM控制电路、功率开关管交流回路，输出整流器交流回路，隔离反馈电路以及输出EMI滤波电路等几部分组成。电源谐波主要与输入、输出EMI滤波电路、功率开关管交流回路及输出整流器交流回路四部分电路有关，本发明在这四部分电路中均采取了有效的谐波干扰抑制措施，下面结合附图对采取的具体措施进行详细说明。

如图2所示，输入EMI滤波电路中，在电源输入端使用两个电容C20、C21和一个共模扼流圈L1组成一个二阶共模滤波器，阻止外部谐波干扰通过导线传导进入电源装置，其中共模扼流圈使用高磁导率铁氧体环形磁芯绕制，减小共模扼流圈产生的纹波。电源输入通过二阶共模滤波器后进入X2Y-平衡线EMI滤波器，该滤波器内部结构示意图如图2中E1所示，由两个对称性很好的共模电容以及一个差模电容组成，对温度、电压变化具有对消作用，能够很好的抑制谐波干扰的串入，其中两个共模电容共同端接入屏蔽金属管壳，将高频噪音能量分流到金属管壳耗散掉。通过X2Y-平衡线EMI滤波器的电源输入进入PI-大功率贴片EMI滤波器，该滤波器内部结构示意图如图2中E2、E3所示，两电容夹一电感，对谐波干扰进行衰减的频率能够达到1GHZ以上，具有优良的防瞬间电压变化。经过以上滤波处理的电源输入通过穿心电容E4、E5进入金属管壳屏蔽体内部给电源装置供电。

如图3所示，功率开关管交流回路中，功率开关管D1在关断瞬间，由于变压器绕组反电动势的存在，会产生很大的尖峰，该尖峰会通过变压器耦合到电源输出回路，形成极大的谐波干扰信号，影响后级电路正常工作。本发明在该回路中同时采用了两种尖峰抑制电路，一种如附图3中所示的由电容C1、电感L2、二极管D2、D3四个器件组成的无源无损吸收电路；另一种如附图3中所示的由电感L6、电容C2两个器件组成的谐振吸收电路。两种吸收电路配合使用，对尖峰起到了很好的抑制作用。

如图4所示，输出整流器交流回路中，输出整流二极管D18、D19在施加反向电压关断之前有正向电流流过，这样整流管二极管在关断瞬间会产生很大的电流尖峰，形成谐波干扰信号。在该回路中使用了RC吸收回路，如附图4中所示的由R56、C60、R57、C61四个器件组成的RC吸收回路。

如图5所示，输出EMI滤波电路与输入EMI滤波电路组成基本相同，这儿不再进行赘述了。

二、组装结构部分：

本发明在组装结构设计上，很好地实现了抑制谐波干扰的作用。

图6是本发明极低谐波干扰电源装置的俯视图，看到的是最上面设有一个由四层PCB板组成的滤波层1，滤波层1用导电螺钉2与下面的金属管壳连接。滤波层1设有电源输入的穿心电容3的引脚和电源输出的穿心电容4的引脚。具体的剖视结构如图7、图8及图9所示。

如图7所示，金属管壳8的最上面用导电螺钉2连接一个由四层PCB板组成的滤波层1；金属管壳8的中部用导电螺钉连接一个屏蔽层7(参见图9)；金属管壳8的底部用螺钉连接一个主控层9(参见图8)；

如图10所示，滤波层1由四层PCB板1a组成，其中顶层PCB板的下面和底层PCB板的上面铺铜，中间两层PCB板均为两面铺铜，四层PCB板铺铜面之间绝缘，四层铺铜之间采用导体连接相通，用导电螺钉2将四层铺铜PCB板与金属管壳8连接，形成密闭的屏蔽体。参见图7，底层PCB板下面没有铺铜的一面设有输入EMI滤波电路以及输出EMI滤波电路，如图7中的标号1b所示，两滤波电路的地线与中间铺铜层蚀刻的线路电连接并接入金属管壳。其中之间PCB板铺铜面上蚀刻的线路是集成电路领域内的公知技术，可以根据需要在铺铜面上蚀刻线路并于铺铜面绝缘。

如图9、图12所示，中间的屏蔽层7由四层PCB板7a组成，四层PCB板均为整片铺铜，四层PCB板铺铜面之间绝缘，四层铺铜之间采用导体连接相通，并用导电螺钉固定到金属管壳上，形成密闭的屏蔽体，且顶层和底层为裸露铜箔。

如图8、图11所示，最下面的主控层9由四层PCB板9a组成，其中顶层PCB板的下面和底层PCB板的上面铺铜，中间两层PCB板均为两面铺铜，四层PCB板铺铜面之间绝缘，四层铺铜之间采用导体连接相通，用导电螺钉将四层铺铜PCB板与金属管壳8连接，形成密闭的屏蔽体。参见图7，主控层上设置有PWM控制电路、功率开关管交流回路、输出整流器交流回路和隔离反馈电路，实现DC/DC变换功能，如图7、图8、图9中的标号10所示。

参见图6、图7，设置一组穿心电容3，其上下管脚穿过并连接于滤波层1与主控层9上，穿心电容3的中部用螺帽5固定于屏蔽层7上，并且每个穿心电容的地线端6接入金属管壳屏蔽体上。电源装置的输入导线均通过穿心电容3进入金属管壳屏蔽体；另一组穿心电容4与穿心电容3结构相同，电源装置的输出导线均通过穿心电容4离开金属管壳屏蔽体。上述结构可以滤除输入输出产生的谐波干扰。

本发明采用金属管壳，实现高斯外壳的作用，使电源装置成为一个屏蔽体。中间的屏蔽层，与金属管壳电连接良好，与金属管壳形成电磁屏蔽装置；最上面的滤波层和最低下面的主控层采用穿心电容进行电学连接，这样的结构作用是实现了整个产品对外辐射屏蔽的作用。

Claims (3)

1.一种极低谐波干扰电源装置，包括安装在壳体内的输入EMI滤波电路、功率开关管交流回路、输出整流器交流回路、输出EMI滤波电路、PWM控制电路以及隔离反馈电路，其特征在于：所述的壳体为金属管壳(8)，金属管壳的：

a、最上面连有一个由四层PCB板组成的滤波层(1)，顶层PCB板的下面和底层PCB板的上面铺铜，中间两层PCB板均为两面铺铜，四层PCB板铺铜面之间绝缘，底层PCB板的下面设有输入EMI滤波电路以及输出EMI滤波电路，两滤波电路的地线与中间铺铜层蚀刻的线路电连接并接入金属管壳；

b、中间连有一个由四层PCB板组成的屏蔽层(7)，四层PCB板均为两面铺铜，与金属管壳电连接，四层PCB板铺铜面之间绝缘；

c、最下面连有一个由四层PCB板组成的主控层(9)，其中顶层PCB板的下面和底层PCB板的上面铺铜，中间两层PCB板均为两面铺铜，四层PCB板铺铜面之间绝缘，主控层上设置有PWM控制电路、功率开关管交流回路、输出整流器交流回路和隔离反馈电路，上述电路的地线与中间铺铜层蚀刻的线路电连接并接入金属管壳。

2.根据权利要求1所述的极低谐波干扰电源装置，其特征在于：滤波层与主控层上连接有一组穿心电容(3、4)，电源装置的输入及输出导线均通过穿心电容进入或离开金属管壳屏蔽体，并且每个穿心电容的地线端(6)接入金属管壳屏蔽体上。

3.根据权利要求2所述的极低谐波干扰电源装置，其特征在于：

a、输入EMI滤波电路中，在电源输入端设有两个电容C20、C21和一个共模扼流圈L1组成一个二阶共模滤波器，二阶共模滤波器后连接由两个共模电容以及一个差模电容组成的平衡线EMI滤波器E1，其中两个共模电容共同端接入金属管壳，通过平衡线EMI滤波器E1的输出分别进入大功率贴片EMI滤波器E2和E3，滤波器E2和E3都是由两电容夹一电感组成，经过以上滤波处理的电源分别通过穿心电容E4和E5作为输入EMI滤波电路的输出端Q1及Q2；

b、功率开关管交流回路中，在输入端Q1及Q2之间串接一个由二极管D2、D3、电感L2和电容C1组成的无源无损吸收电路，其中电容C1跨接在MOS管D1与电感L2之间；设置由电感L6、电容C2组成的谐振吸收电路，其中电感L6串接于变压器TR与MOS管D1之间，电容C2跨接于变压器TR与MOS管D1之间；

c、输出整流器交流回路中，设置一个跨接于二极管D18两端的由电阻R56、电容C60组成的RC吸收回路，和一个跨接于二极管D19两端的由电阻R57、电容C61组成的RC吸收回路；

d、输出EMI滤波电路的组成与输入EMI滤波电路相同。

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