CN103887965B - 具有高等级emc和安规性能的电源设计电路 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于轨道交通行业，提供了一种具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，包括依次连接的输入单元、隔离滤波保护单元及输出单元，所述隔离滤波保护单元包括电磁抗扰保护电路、电磁干扰滤波电路及隔离电路，电磁抗扰保护电路将输入单元输出的共模干扰信号和差模干扰信号钳位并泄放，电磁干扰滤波电路将所述隔离电路的输入信号和输出信号进行共模滤波以及将所述隔离电路的输入信号进行差模滤波。通过设置电磁抗扰保护电路和隔离电路将输入单元与输出单元进行隔离，并且进行PCB板间距设计，使其满足更大的隔离绝缘电压，提高了耐压性能，同时电磁干扰滤波电路对输入单元输出的干扰信号进行滤波，使得满足电路的辐射和传导的限值要求。
Description
技术领域
本发明属于电子设备领域，尤其涉及一种具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路。
背景技术
目前，在应用于轨道交通行业电子设备越来越多，由于铁路上频频出现安全事故，轨道交通行业EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)要求更加严格。如图1所示，为一传统具有安规性能设计的电源电路的电路原理图，其输入输出没有进行隔离设计，导致输入地和输出地直接导通，只要外面有高压，就会直接进入设备的内部电路，造成机器损坏，而在PCB布线时绝缘间距不够不能满足行业要求，耐压达不到要求。如图2所示，为另一传统具有EMC性能的电源电路的电路原理图，其中，电路中元器件摆放的位置不正确，见图所示，二极管D11动作时间是ps级，而压敏电阻RV1动作时间是μs级，此外，在雷击状态下，二极管D11将在压敏电阻RV1之前动作，但因为二极管D11耐流太小，易被击穿，压敏电阻RV1失去保护作用，以致缺少共模或差模滤波保护电路，导致最终很难达到理想的效果。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种EMC抗扰度、耐压性能强的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，旨在解决传统具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路中电路设计不合理而导致的EMC抗扰度、耐压性能弱的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，包括依次连接的输入单元、隔离滤波保护单元及输出单元，所述隔离滤波保护单元包括连接在所述输入单元的输出端和输出单元的输入端之间的电磁抗扰保护电路、电磁干扰滤波电路及将所述输入单元和输出单元进行隔离的隔离电路，所述电磁抗扰保护电路将所述输入单元输出的共模干扰信号和差模干扰信号钳位并泄放，钳位是指将某点的电位限制在规定的电位以上的措施，所述电磁干扰滤波电路将所述隔离电路的输入信号和输出信号进行共模滤波以及将所述隔离电路的输入信号进行差模滤波。
在优选的实施例中，电磁抗扰保护电路包括用于钳位并泄放所述共模干扰电压的共模保护电路、用于钳位并泄放所述差模干扰电压的第一差模保护电路和第二差模保护电路，所述电磁干扰滤波电路包括用于滤除所述隔离电路输入信号的差模干扰的差模滤波电路、用于滤除所述隔离电路的输入信号的共模干扰的第一输入共模滤波电路和第二输入共模滤波电路以及用于滤除所述隔离电路的输出信号的共模干扰的输出共模滤波电路，所述共模保护电路、第一差模保护电路、差模滤波电路、第一输入共模滤波电路、第二差模保护电路、第二输入共模滤波电路、隔离电路及输出共模滤波电路依次连接在所述输入单元的输出端和输出单元的输入端之间。
在优选的实施例中，在PCB板的布线中，所述输入单元和输出单元的布线间距不少于400密尔。
在优选的实施例中，所述输入单元的正极布线、负极布线及所述隔离滤波保护单元中各元器件的引脚与地端之间的布线间距大于110密尔。
在优选的实施例中，所述共模保护电路包括压敏电阻RV3和压敏电阻RV2，所述压敏电阻RV3的第一端、所述压敏电阻RV2的第一端分别与所述输入单元的正极、负极连接，所述压敏电阻RV3的第二端和所述压敏电阻RV2的第二端接地。
所述隔离滤波保护单元还包括第一端连接在所述输入单元正极的保险丝F10，所述第一差模保护电路包括连接在所述保险丝F10的第二端与所述输入单元的负极之间的压敏电阻RV1。
在优选的实施例中，所述隔离滤波保护单元还包括二极管D10，所述差模滤波电路包括差模电感L3、差模电感L4及电容C3，其中，
所述二极管D10阳极与所述保险丝F10的第二端连接，所述二极管D10的阴极与所述差模电感L3第一端连接，所述差模电感L3第二端与所述电容C3的第一端连接，所述电容C3的第二端与所述差模电感L4的第一端连接，所述差模电感L4的第二端与所述输入单元的负极连接。
在优选的实施例中，所述第一输入共模滤波电路包括共模电感L1，所述共模电感L1的两个输入端分别与所述电容C3的第一端、第二端连接；
所述第二差模保护电路为瞬态抑制二极管D11，所述瞬态抑制二极管D11第一端与所述共模电感L1的第一输出端连接，所述瞬态抑制二极管D11的第二端同时与所述共模电感L1的第二输出端和输入地连接；
所述第二输入共模滤波电路包括电容C1和电容C7，所述电容C1的第一端、所述电容C7的第一端分别与所述共模电感L1的第一输出端、第二输出端连接，所述电容C1的第二端和电容C7的第二端接地。
在优选的实施例中，所述隔离电路正极输入端、负极输入端分别与所述共模电感L1的第一输出端、第二输出端连接，所述输出共模滤波电路包括电容C2和电容C8，所述电容C2的第一端与所述隔离电路正极输出端连接，所述电容C8的第一端与所述隔离电路的负极输出端连接，所述电容C2的第二端和电容C8的第二端接地。
在优选的实施例中，所述隔离滤波保护单元还包括与所述瞬态抑制二极管D11并联的残压泄放电阻R1和电解电容CE6，所述电解电容CE6与所述残压泄放电阻R1并联，所述电解电容CE6的正极与所述共模电感L1的第一输出端连接。
在优选的实施例中，所述隔离滤波保护单元还包括电解电容CE1和与其并联的滤波输出电容C6，所述电解电容CE1的正极与所述隔离电路正极输出端连接，所述电解电容CE1的负极与所述隔离电路负极输出端连接并接地，所述输出单元连接到隔离电路260的正极输出端。
上述具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路通过设置电磁抗扰保护电路和隔离电路将输入单元与输出单元进行隔离，并且进行PCB板间距设计，使其满足更大的隔离绝缘电压，提高了耐压性能，同时电磁干扰滤波电路对输入单元输出的干扰信号进行滤波，满足直流电源的EMC抗扰度，使得满足电路的辐射和传导的限值要求。
附图说明
图1是一个现有技术提供的常规安规性能电源电路的电路原理图；
图2是另一个现有技术提供的具有EMC性能的电源电路原理图；
图3是本发明实施例提供的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路的电路模块图；
图4是本发明另一个实施例提供的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路PCB板布线结构框图；
图5是本发明实施例提供的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路PCB板布线结构框图；
图6是本发明实施例提供的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路的原理图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，一种具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，包括依次连接的输入单元100、隔离滤波保护单元200及输出单元300。
隔离滤波保护单元200包括连接在输入单元100的输出端和输出单元300的输入端之间的电磁抗扰保护电路220、电磁干扰滤波电路240及将输入单元100和输出单元300进行隔离的隔离电路260，电磁抗扰保护电路220将输入单元100输出的共模干扰信号和差模干扰信号钳位并泄放，钳位是指将某点的电位限制在规定的电位以上的措施，电磁干扰滤波电路240将隔离电路260的输入信号和输出信号进行共模滤波以及将隔离电路260的输入信号进行差模滤波。
设置电磁抗扰保护电路220和隔离电路260将输入单元100与输出单元300进行隔离，并且进行PCB板间距设计，使其满足更大的隔离绝缘电压，提高了耐压性能，同时电磁干扰滤波电路220，对输入单元100输入的电压干扰信号进行滤波。满足电磁兼容性要求，特别是轨道交通上的直流电源的电磁兼容性要求。
在优选的实施例中，电磁抗扰保护电路220包括用于钳位并泄放共模干扰电压的共模保护电路222、用于钳位并泄放差模干扰电压的第一差模保护电路224和第二差模保护电路226，电磁干扰滤波电路240包括用于滤除隔离电路260输入信号的差模干扰的差模滤波电路242、用于滤除所述隔离电路260的输入信号的共模干扰的第一输入共模滤波电路244和第二输入共模滤波电路246、用于滤除隔离电路260的输出信号的共模干扰的输出共模滤波电路248。共模保护电路222、第一差模保护电路224、差模滤波电路242、第一输入共模滤波电路244、第二差模保护电路226、第二输入共模滤波电路246、隔离电路260及输出共模滤波电路248连接在输入单元100的输出端和输出单元300的输入端之间。本实施例中，隔离电路260为电压隔离模块，用于对输入信号进行转换，使得输入信号与输出信号隔离开来；设置在具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路前端的共模保护电路222、第一差模保护电路224和第二差模保护电路226作电磁抗扰保护，保证电路的耐压性能，其后，差模滤波电路242、第一输入共模滤波电路244、第二输入共模滤波电路246及输出共模滤波电路248对被电磁抗扰保护电路220钳位后的电压进行滤波并将残压泄放。
如图4、5所示，在PCB板的布线中，输入单元100和输出单元300的布线间距H不少于400密尔。
上述具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路通过将其输入单元100和输出单元300在PCB板的布线中的布线间距不少于400密尔，防止出现输入的信号重新耦合至输出中，提高具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路的抗扰度，使得满足电路的辐射和传导的限值要求。
图4和图5分布示出了具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路两种PCB板布线结构框图，输入单元100和输出单元300在布局时，两者的电路需要尽量拉大布线间距H，使得最少为400密尔，也就是说输入单元100经过滤波和钳位保护后输出，输出单元300需要与输入单元100隔离开来，防止出现输入的信号重新耦合至输出中，优选地，如图4所示，将输入单元100和输出单元300设计成位于隔离滤波保护单元200的相对两侧以拉大距离作防干扰保护。
在优选的实施例中，输入单元100的正极布线、负极布线及隔离滤波保护单元200中各元器件的引脚与地端GND_BASE之间的布线间距大于110密尔（图未示）。保证输入单元100正极、负极及隔离滤波保护单元200中的各元器件到地之间施加1500V的交流电压不出现放电现象，满足更大的隔离绝缘电压，提高了耐压性能，使得满足电路的辐射和传导的限值要求。
如图6所示，在优选的实施例中，共模保护电路222与输入单元100连接位于隔离滤波保护单元200靠近输入单元100的前端，共模保护电路222包括压敏电阻RV3和压敏电阻RV2，压敏电阻RV3的第一端、压敏电阻RV2的第一端分别与输入单元100的正极、负极连接，压敏电阻RV3的第二端、压敏电阻RV2的第二端接地GND_BASE。压敏电阻RV3和压敏电阻RV2对输入的共模干扰电压进行钳位，此方案能通过共模2000V电压的干扰测试。
在优选的实施例中，隔离滤波保护单元200还包括第一端连接在输入单元100正极的保险丝F10，第一差模保护电路224包括连接在保险丝F10的第二端与输入单元100的负极之间的压敏电阻RV1。在其他实施例中，保险丝F10可以用熔断器替换。
在优选的实施例中，隔离滤波保护单元200还包括二极管D10，D10为防反接二极管，差模滤波电路242包括差模电感L3、差模电感L4及电容C3。二极管D10阳极与保险丝F10的第二端连接，二极管D10的阴极与差模电感L3第一端连接、所述差模电感L3第二端与电容C3的第一端连接，电容C3的第二端与差模电感L4的第一端连接，差模电感L4的第二端与输入单元100的负极连接。电容C3为X电容，用于抑制差模干扰。
在优选的实施例中，第一输入共模滤波电路244包括共模电感L1，共模电感L1的两个输入端分别与电容C3的第一端、第二端连接。第二差模保护电路226为瞬态抑制二极管D11，瞬态抑制二极管D11第一端与共模电感L1的第一输出端连接，瞬态抑制二极管D11的第二端同时与共模电感L1的第二输出端和输入地GND_IN连接。第二输入共模滤波电路246包括电容C1和电容C7，电容C1的第一端、电容C7的第一端分别与共模电感L1的第一输出端、第二输出端连接，电容C1的第二端和电容C7的第二端接地GND_BASE。
在优选的实施例中，隔离电路260正极输入端、负极输入端分别与共模电感L1的第一输出端、第二输出端连接。
第一差模保护电路224和第二差模保护电路226中的压敏电阻RV1对输入的差模干扰电压进行钳位，瞬态抑制二极管D11将经过钳位后的剩余的残压进行泄放，此方案能通过差模1000V电压的干扰测试。
在本实施例中，差模干扰信号进入具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路时，压敏电阻RV1动作将差模干扰钳位相对较低电压，同时差模电感L3和差模电感L4也会有阻碍干扰的变化，经过差模电感L3和差模电感L4后如果电压瞬态抑制二极管D11将会击穿动作泄放差模能量，将差模电压降低至瞬态抑制二极管D11的钳位电压，从而对后级电路进行保护。
在优选的实施例中，隔离电路260正极输入端、负极输入端分别与共模电感L1的第一输出端、第二输出端连接，输出共模滤波电路248包括电容C2和电容C8，电容C2的第一端与隔离电路260负极输出端连接，电容C8的第一端与隔离电路260的正极输出端连接，电容C2的第二端和电容C8的第二端接地GND_BASE。电容C1、电容C2、电容C7和电容C8为Y电容，用于抑制共模干扰。
在本实施中，共模干扰电压进入具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路时，压敏电阻RV3和压敏电阻RV2动作，将共模干扰电压钳位到至压敏电阻RV3和压敏电阻RV2的最大钳位电压，经过压敏电阻RV3和压敏电阻RV2后的干扰进入共模电感L1，共模电感L1的特性会阻止干扰的变化，将电压的上升时间减缓，部分残压可通过电容C1和电容C7泄放到大地，从而达到保护后级电源模块电路不受损害。
在优选的实施例中，隔离滤波保护单元200还包括与瞬态抑制二极管D11并联的残压泄放电阻R1和电解电容CE6，残压泄放电阻R1为大阻值电阻，至少1000欧姆，阻值优选为1000欧姆，电解电容CE6与残压泄放电阻R1并联，电解电容CE6的正极与共模电感L1的第一输出端连接。
在优选的实施例中，隔离滤波保护单元200还包括电解电容CE1和与其并联的滤波输出电容C6，电解电容CE1的正极与隔离电路260正极输出端连接，电解电容CE1的负极与隔离电路260负极输出端连接并接输出地GND_OUT，输出单元300连接到隔离电路260的正极输出端。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，包括依次连接的输入单元、隔离滤波保护单元及输出单元，其特征在于，所述输入单元和所述输出单元在PCB板中的布线间距不少于400密尔，防止出现输入的信号重新耦合至输出中，所述隔离滤波保护单元包括连接在所述输入单元的输出端和输出单元的输入端之间的保险丝F10或熔断器、电磁抗扰保护电路、二极管D10、电磁干扰滤波电路及将所述输入单元和输出单元进行隔离的隔离电路，所述电磁抗扰保护电路包括共模保护电路、第一差模保护电路和第二差模保护电路，其中，所述第二差模保护电路为瞬态抑制二极管D11，所述电磁抗扰保护电路将所述输入单元输出的共模干扰信号和差模干扰信号钳位并泄放，所述电磁干扰滤波电路将所述隔离电路的输入信号和输出信号进行共模滤波以及将所述隔离电路的输入信号进行差模滤波，所述隔离电路用于对输入信号进行转换，使得输入信号与输出信号隔离开来。
2.如权利要求1所述的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，其特征在于，所述电磁干扰滤波电路包括用于滤除所述隔离电路输入信号的差模干扰的差模滤波电路、用于滤除所述隔离电路的输入信号的共模干扰的第一输入共模滤波电路和第二输入共模滤波电路以及用于滤除所述隔离电路的输出信号的共模干扰的输出共模滤波电路，所述共模保护电路、第一差模保护电路、差模滤波电路、第一输入共模滤波电路、第二差模保护电路、第二输入共模滤波电路、隔离电路及输出共模滤波电路依次连接在所述输入单元的输出端和输出单元的输入端之间。
3.如权利要求1所述的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，其特征在于，所述输入单元的正极布线、负极布线及所述隔离滤波保护单元中各元器件的引脚与地端之间的布线间距大于110密尔。
4.如权利要求2所述的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，其特征在于，所述共模保护电路包括压敏电阻RV3和压敏电阻RV2，所述压敏电阻RV3的第一端、所述压敏电阻RV2的第一端分别与所述输入单元的正极、负极连接，所述压敏电阻RV3的第二端和所述压敏电阻RV2的第二端接地，
所述保险丝F10的第一端连接所述输入单元的正极，所述第一差模保护电路包括连接在所述保险丝F10的第二端与所述输入单元的负极之间的压敏电阻RV1。
5.如权利要求4所述的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，其特征在于，所述差模滤波电路包括差模电感L3、差模电感L4及电容C3，其中，
所述二极管D10的阳极与所述保险丝F10第二端连接，所述二极管D10的阴极与所述差模电感L3第一端连接，所述差模电感L3第二端与所述电容C3的第一端连接，所述电容C3的第二端与所述差模电感L4的第一端连接，所述差模电感L4的第二端与所述输入单元的负极连接。
6.如权利要求5所述的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，其特征在于，所述第一输入共模滤波电路包括共模电感L1，所述共模电感L1的两个输入端分别与所述电容C3的第一端、第二端连接；
所述瞬态抑制二极管D11第一端与所述共模电感L1的第一输出端连接，所述瞬态抑制二极管D11的第二端同时与所述共模电感L1的第二输出端和输入地连接；
所述第二输入共模滤波电路包括电容C1和电容C7，所述电容C1的第一端、所述电容C7的第一端分别与所述共模电感L1的第一输出端、第二输出端连接，所述电容C1的第二端和电容C7的第二端接地。
7.如权利要求6所述的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，其特征在于，所述隔离电路正极输入端、负极输入端分别与所述共模电感L1的第一输出端、第二输出端连接，所述输出共模滤波电路包括电容C2和电容C8，所述电容C2的第一端与所述隔离电路负极输出端连接，所述电容C8的第一端与所述隔离电路的正极输出端连接，所述电容C2的第二端和电容C8的第二端接地。
8.如权利要求6所述的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，其特征在于，所述隔离滤波保护单元还包括与所述瞬态抑制二极管D11并联的残压泄放电阻R1和电解电容CE6，所述电解电容CE6与所述残压泄放电阻R1并联，所述电解电容CE6的正极与所述共模电感L1的第一输出端连接。
9.如权利要求1至8任一项所述的具有高等级EMC和安规性能的电源设计电路，其特征在于，所述隔离滤波保护单元还包括电解电容CE1和与其并联的滤波输出电容C6，所述电解电容CE1的正极与所述隔离电路正极输出端连接，所述电解电容CE1的负极与所述隔离电路负极输出端连接并接输出地，所述输出单元连接到隔离电路的正极输出端。
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