二极管与储能、电压跌落、中断抗扰度【EMC学习】

【现象描述】

某通信产品采用DC – 48 V 供电，内部工作电路的工作电压3. 3 V 由DC/DC 开关电源得到。根据该产品的标准要求， 要进行DC电源端口的电压跌落与中断测试，测试 要求见下表1、表2。

测试中发现， 进行低阻状态下的0％电压中断测试时， 当测试的中断时间为 1 ~ 10 ms 时， DC 开关电源模块电压输出出现关断现象，即没有输出电压，并不能自动恢复，一定要在输入电源掉电较长的时间后才能恢复（这种现象类似于电源本身的过流保护现象，本案例描述中简称这类现象为“保护“现象），测试不能通过。

为了解决此问题，试图在被测试的直流电流端口上通过并联增加储能电容值来使测试通过， 但是， 再增加 200uF 的储能电容都没有明显效果。中断测试的时间大于10ms 时，不会出现这种现象，只是出现系统复位现象，按照直流电压跌落与中断测试时的 B 性能判据的要求，测试通过。

进行高阻状态下的0％电压中断测试时，在所有的测试组合下，均未出现DC/DC电源输出“保护” 现象，只有大于或等于10 ms 的中断测试时，产品出现复位现象。

测试DC/DC 开关电源的输入/输出电压波形，可以发现，这种复位现象是DC/DC电源输入掉电复位引起的。

下图1是复位现象出现时，DC/DC电源输入/输出接口上的电压波形示意图。

在测试中还发现，该问题在增大产品电源输入端口上的储能电容值后（原有一个47 uF 的电容， 再并联一个47uF 电容）， 得到解决。

对以上测试结果，产生以下几个疑问：

(1) 产品中用的DC/DC 开关电源为何会在电源端口进行 0％电压中断测试时， 当中断时间小于14 ms 时， 出现“保护”现象， 而当中断时间大于14 ms 时，无“保护”现象出现？

(2 ) 为何在高阻状态下进行测试时，DC/DC 电源输入/输出端口出现图1所示的电压波形， 即电压跌落模拟器巳输出零电压，而在 DC/DC 电源输出端口上的电压不为零而为-31 V?

(3) 为何在低阻状态下进行测试时，增加储能电容的值，“保护” 现象无明显改善，而在高阻状态下却效果明显？

【原因分析】

了解DC/DC 开关电源原理的人指出，有的他激式电源内部控制电路中有一个电容（本文中称为A 电容）， 当电源掉电后，A 电容中的电压下降到一定程度的电压值后（这个电压本文中称为B电压值）， 如果要重新启动电源并使其正常工作，就要先等A 电容两端的电压值降为零，然后再上电，才能使电源正常启动( A 电容两端的电压值还没有下降到 B电压值之前，模块可以随时正常工作）。

这也是在低阻的状态下， 进行 0％中断测试时，出现“保护”现象，而在 40％跌落（这时 A 电容两端的电压值并没有下降到 B 电压值）时没有出现“保护”现象的原因。

本案例产品中的 DC/DC 电源模块均属于这种类型的电源，可见 DC/DC 电源模块的“保 护”现象是 DC/DC 电源模块的固有特性引起的，但是这个固有特性造成了产品DC 电源电压跌落与中断抗扰度能力降低。

那么，为何在高阻状态下进行测试时， DC/DC 电源输入/输出端口出现图1 所示的电压波形，即电压跌落模拟器已输出零电压，而在 DC/DC 电源输出端口上的电压值不是零而是－31 V?

现在分析一下在高阻状态下进行0％和 40％跌落测试时，DC/DC 电源模块输入/输出波形是如何产生的。本案例中的产品电源供电系统原理图如下图2所示。

高阻状态下测试时， 在掉电的瞬间， 由于 C1两端存在电压， 其中的能量会继续提供给

DC/DC 电源模块工作一段时间，同时 C1中的能量因DC/DC 电源模块的工作而迅速被消耗掉， 即 C1两端的电压迅速降低， 直到 C1两端的电压不能使DC/DC电源模块正常工作。

如图1中所示的那样，从－31 V 开始 OC/DC 电源就不处于正常工作状态， 因此消耗也大大减少， C1两端的电压下降也变得非常缓慢。这就是产品在高阻状态下测试时， C1两端的电压没有很快跌到零，而会保持－31 V 一段时间的原因。

另外， 由于C1两端的电压下降使 DC/DC 电源模块停止工作后， 使得原来那些由DC/DC 电源模块供电的后一级集成电路，只能靠C2 来维持一段时间， 但是集成电路不像DC/DC 电源模块那样有很宽的正常工作电压范围。

据统计，一般集成电路的正常工作电压是额定电压的±5 %，这个电压范围很难由C2 来维持一段较长的时间， 通常 DC/DC 电源模块的输出电压为零， 集成电路也很快消耗 C2 中的能量，使 C2 两端的电压小于正常电压的95 % ，这时集成电路相当于掉电， 即出现系统复位现象。

为何在低阻状态下进行测试时，增加储能电容的值，“保护”现象无明显的改善，而在高阻状态下却效果明显？

原来，在低阻状态下测试时，电压跌落与中断模拟器的输出内阻呈低阻状态，相当于供电源短路。在电压跌落的瞬间， 储能电容 C1的电压一方面继续给DC/DC 电源模块供电， 另一方面通过模拟器侧的短路回路进行放电， 并且很快被放到零电压。

在高阻状态下测试时，电压跌落与中断模拟器内阻呈高阻状态，相当于电压源与产品 供电电源入口断开，在电压中断的瞬间，储能电容 C1上的能量只能消耗在DC/DC电源中， 储能电容值的增加，会对测试结果产生明显的效果。

【处理措施】

既然高阻情况下测试，设备很容易就通过测试，那么在电源输入的入口处串联一个二极管， 可以实现低阻状态到高阻状态的改变。根据测试结果，串联二极管后， 再增加储能电容47µF , 能通过DC 电源端口的所有测试要求。

【思考与启示】

(1) 全面理解电压中断测试的意思，中断测试分别模拟实际电压中断的两种情况， 即高阻状态和低阻状态。高阻状态是由电源从一个交换到另一个时产生的；低阻状态是由清除一个过载或电源总线上的缺陷产生的，并可以引发从负载产生的反向电流（负的峰值冲击电流）。高阻状态时，阻塞高阻抗负载的反向电流；低阻状态时，从低阻抗负载吸收负的冲击电流。

(2) 从储能的角度讲，高阻状态下测试比较容易通过，因此在电源入口处串联二极管相当于将源的低阻抗变成高阻抗，有利于测试通过。

注：以上用例来自《EMC电磁兼容设计与测试案例分析》