開(kāi)關(guān)電源的抗干擾問(wèn)題

1、開(kāi)關(guān)電源的抗干擾問(wèn)題摘要：在敘述電磁兼容的定義及其試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上介紹抑制電磁干擾的一般方法及其存在的問(wèn)題。最后介紹新型抗電磁干擾器件 FTS 系列群脈沖對(duì)抗器與 LSA 系列雷擊浪涌吸收器的特點(diǎn)。 Problems on Anti-Jamming of Switching Power Supply Abstract: On the basis of definition and experimental method of electromagnetic compatibility ,general way and problem of anti-jamming were introduce

2、d .At the same time ,the e characteristices of some new type anti-jamming devices ,FTS series of pulse antagonismers and LSA series of lightning surge absorbers , were presented . Keywords: Electromagnetic jamming ,Electromagnetic compatibility , Electromagnetic compatibility test , New type anti-ja

3、mming devices 1 引言 電磁兼容（EMC）是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。隨著電子產(chǎn)品越來(lái)越多地采用低功耗、高速度、高集成度的 LSI 電路而使得這些裝置比以往任何時(shí)候更容易受到電磁干擾的威脅。而與此同時(shí)，大功率家電及辦公自動(dòng)化設(shè)備的增多，以及移動(dòng)通訊、無(wú)線尋呼的廣泛應(yīng)用等，又大大增加了電磁騷擾的發(fā)生源。這些變化迫使人們把電磁兼容作為重要的技術(shù)問(wèn)題加以關(guān)注。特別是歐共體將產(chǎn)品的電磁兼容性要求納入技術(shù)法規(guī)，強(qiáng)制執(zhí)行89/336/EEC指令，即規(guī)定從1996年1月1日起電氣和電子產(chǎn)品都必須符合EMC要求，并加貼CE標(biāo)志后才能在

4、歐共體市場(chǎng)上銷(xiāo)售以來(lái)，促進(jìn)各國(guó)政府從國(guó)際貿(mào)易的角度，高度重視電磁兼容技術(shù)。開(kāi)關(guān)電源、電視機(jī)和音響設(shè)備等6種進(jìn)口商品自1999年1月起實(shí)施EMC強(qiáng)制檢測(cè)，這標(biāo)志著電氣和電子產(chǎn)品的電磁兼容性能已開(kāi)始成為我國(guó)商品進(jìn)出口檢驗(yàn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。 所謂電磁兼容（Electromagnetic Compatibility）是指設(shè)備（分系統(tǒng)、系統(tǒng)）在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。這里包含兩層意思：即它工作中產(chǎn)生的電磁發(fā)射要限制在一定水平內(nèi)；另外，它本身要有一定的抗干擾能力。這便是設(shè)備研制中所必須解決的兼容問(wèn)題。 2 EMC試驗(yàn) 以往人們比較重視電磁發(fā)射的測(cè)試及抑制技術(shù)，以保護(hù)通訊、廣播系統(tǒng)或其

5、它裝置不受干擾。近來(lái)，電磁敏感度的測(cè)試和對(duì)策技術(shù)已成為EMC領(lǐng)域中的熱點(diǎn)，各行業(yè)也紛紛在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中加入了抗干擾性能的規(guī)定。例如電力系統(tǒng)中對(duì)多功能電度表、用戶集中抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)終端繼電保護(hù)裝置，都提出了抗干擾的要求。 電力工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)DL/T614多功能電能表中規(guī)定了以下幾種抗干擾測(cè)試要求： (1）靜電放電抗擾度試驗(yàn) 按IEC6100042中規(guī)定，并在下列條件下進(jìn)行： 接觸放電； 嚴(yán)酷等級(jí)：4； 試驗(yàn)電壓：8kV； 放電次數(shù)：10。 靜電放電作用后，儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的改變，并能正常工作，計(jì)度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X （kWh）的變化，測(cè)試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X （kWh）的脈沖信號(hào)量。X的計(jì)算公式如下

6、： X=mUnImax104（1）式中m測(cè)量單元數(shù); Un參比電壓V; Imax最大電流 ,A。 （2）高頻電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn) 按IEC6100043中規(guī)定，并在下述條件下進(jìn)行： 電壓和輔助線路加參比電壓; 頻率范圍：（80100）MHz; 嚴(yán)酷等級(jí)：3; 試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)：10V/m。 在高頻電磁場(chǎng)的作用下，儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的改變，并能正常工作，計(jì)度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X （kWh）的變化。測(cè)試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X （kWh）的脈沖信號(hào)量。X的計(jì)算公式同式（1）。 在負(fù)載電流Ib、功率因數(shù)cos為1、處于敏感頻率或主振頻率點(diǎn)的條件下，誤差改變量應(yīng)在表1規(guī)定極限內(nèi)（此條只對(duì)電子式多功能電能表進(jìn)行）。 （

7、3）電快速瞬變脈沖群試驗(yàn) 按照IEC6100044中規(guī)定，并在下述條件下進(jìn)行： 試驗(yàn)電壓應(yīng)以共模方式施加； 嚴(yán)酷度等級(jí)：4； 試驗(yàn)電壓：4kV； 試驗(yàn)時(shí)間：60s。 在脈沖群作用下，儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的改變，并能正常工作，計(jì)度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X （kWh）的變化，測(cè)試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X （kWh）脈沖信號(hào)量。X的計(jì)算公式同式（1）。 （4）浪涌試驗(yàn) 按IEC6100045中規(guī)定，并在下述條件下進(jìn)行： 嚴(yán)酷等級(jí)：4； 試驗(yàn)電壓：4kV； 波形：1.2/50s； 極性：正/負(fù)； 試驗(yàn)次數(shù)：正、負(fù)極性各5次； 重得率：1分鐘1次。 在浪涌的作用下，儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的變化，并能正常工作，計(jì)度

8、器不應(yīng)該產(chǎn)生大于X （kWh）的變化，測(cè)試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X （kWh）的脈沖信號(hào)量。X的計(jì)算公式同式（1） （5）無(wú)線電干擾試驗(yàn) 當(dāng)頻率在（0.153）MHz范圍內(nèi)，傳導(dǎo)干擾電壓允許值見(jiàn)表2。 當(dāng)頻率在（301000）MHz范圍內(nèi)測(cè)量距離為10m的輻射干擾允許值見(jiàn)表3。 （6）外磁場(chǎng)影響試驗(yàn) 在正常工作狀態(tài)下，加以與多功能電能表參比電壓相同頻率、隨時(shí)間正弦變化、強(qiáng)度為0.5mT(400A/m)的外磁場(chǎng)，且在最不利的方向和相位的情況下進(jìn)行，試驗(yàn)中程序不應(yīng)紊亂，內(nèi)存數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失，誤差改變量應(yīng)符合各有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。 （7）諧波影響 分別將含有10的3次、5次諧波干擾源施加在多功能電能表電壓線路，

9、需測(cè)示值誤差的改變量應(yīng)不超過(guò)0.2程序不應(yīng)紊亂，內(nèi)存數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失。開(kāi)關(guān)電源的生產(chǎn)廠家應(yīng)對(duì)抗干擾問(wèn)題引起足夠的重視。具有良好抗干擾設(shè)計(jì)的電源，能使用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中無(wú)需考慮由電源引起的抗干擾問(wèn)題，大大加快用戶的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。 3 干擾的方式與類(lèi)型 電源干擾可以以“共模”或“差?！狈绞酱嬖??！肮材！备蓴_是指電源對(duì)大地，或中線對(duì)大地之間的電位差。有時(shí)也稱(chēng)為縱橫干擾、不對(duì)稱(chēng)干擾或接地干擾，這是載流導(dǎo)體與大地之間的電位差。 “差?！备蓴_存在于電源相線與中線之間，對(duì)于三相電路來(lái)說(shuō)，還存在于相線與相線之間。有時(shí)也稱(chēng)為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ(chēng)干擾。 兩種干擾模式的區(qū)別是十分重要的，因?yàn)閷?duì)共模干擾是

10、不能用差模的方式來(lái)解決的，反之亦然。 干擾類(lèi)型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化。其中也包括電壓變化（如電壓的跌落、浪涌與中斷）、頻率變化、波形失真（電壓的或電流的）、持續(xù)噪聲或雜波，以及瞬變等。 表4中的幾種干擾，能夠通過(guò)電源進(jìn)行傳輸并造成設(shè)備的破壞或影響其工作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波，而靜電放電等干擾只要電源設(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，就不會(huì)造成由電源引起的對(duì)用電設(shè)備的影響。 良好的電源設(shè)計(jì)應(yīng)使電源在較惡劣的電磁環(huán)境中本身能正常工作，同時(shí)應(yīng)對(duì)電源線中的各種脈沖干擾有較好的抑制作用。 4 抑制干擾的方法 一般的干擾抑制方法有以下幾種： （1）在電源的輸入

11、端加入線路濾波器。如圖1所示。 其中L1和L2的線圈同方向繞在同一磁芯上，這兩個(gè)電感對(duì)于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是互相抵銷(xiāo)的，因此不會(huì)引起磁芯的飽和。而對(duì)于共模電流則可以反映為很大的電感，以便獲得最大的濾波效果，所以又稱(chēng)為共模電感。 Cx電容被用來(lái)衰減差模干擾，CY電容用于衰減共模干擾。R用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累。 電源濾波器主要用于抑制30MHz以下頻率范圍的噪聲，而對(duì)于脈沖干擾，其諧波頻率往往高達(dá)上百兆赫，實(shí)際使用下來(lái)其效果往往并不明顯。例如某研究機(jī)構(gòu)對(duì)20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進(jìn)行了測(cè)試，超過(guò)20dB的僅有4種，甚至有的會(huì)在輸出端產(chǎn)生振蕩。 （2）采用帶屏蔽層的變

12、壓器 由于共模干擾是一種相對(duì)大地的干擾，所以它主要通過(guò)變壓器繞組間的耦合電容來(lái)傳遞。如果在初、次級(jí)之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過(guò)屏蔽層旁路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。屏蔽層對(duì)變壓器的能量傳輸并無(wú)不良影響，但影響了繞組間的耦合電容。圖2畫(huà)出了帶屏蔽層的隔離變壓器的共模干擾通路。從圖2中可以看到要使共模衰減量大，只要變壓器屏蔽層接地阻抗小，便能奏效。理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達(dá)到60dB左右。但實(shí)際使用后可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于尖峰干擾有抑制，其效果也不十分明顯。 （3）壓敏電阻、氣體放電管、TVS管、固體放電管等吸波器件。這類(lèi)器件都有共同的特點(diǎn)，即在閾值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗，而一

13、旦超過(guò)閾值電壓，則阻抗便急劇下降，因此對(duì)尖峰電壓都有一定的抑制作用，但也有各自的局限性，例如氣體放電管的響應(yīng)速度較慢，壓敏電阻的電流吸收能力又不夠大，TVS管和固體放電管的閾值電壓一般僅為300V400V。 5 FTS系列群脈沖對(duì)抗器及 LSA 系列雷擊浪涌吸收器 上海三基公司設(shè)計(jì)的 FTS 群脈沖對(duì)抗器系列與 LSA 雷擊浪涌吸收器系列，就具有高速的響應(yīng)級(jí)別、高的耐壓和更強(qiáng)的浪涌吸收電流。 FTS 系列群脈沖干擾對(duì)抗器是根據(jù)用戶反映電子產(chǎn)品難于通過(guò)IEC6100044標(biāo)準(zhǔn)（關(guān)于電快速瞬態(tài)脈沖干擾的標(biāo)準(zhǔn)）而研制的一種新型抗干擾器件。 電快速瞬變脈沖是一種上升沿為5ns半坡寬50ns，重復(fù)頻率為

14、2.5kHz或5kHz的脈沖群，其諧波頻率可達(dá)100MHz，而普通電源濾波器無(wú)法起到抑制作用。 普通電源濾波器是由一些無(wú)損耗電抗元件構(gòu)成的，能阻止頻帶以外的其它信號(hào)通過(guò)，并把它反射到信號(hào)源。因此當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，一部分有用信號(hào)將被反射，重新返回信號(hào)源，這樣反而導(dǎo)致干擾電平的增加而不是減小。而群脈沖干擾對(duì)抗器則克服了電源濾波器的上述缺點(diǎn)，采用了吸收與反射相結(jié)合的原理。 吸收部分采用從日本定制的專(zhuān)用鐵氧體材料以及美國(guó) PROTEK 公司生產(chǎn)的新型半導(dǎo)體削波器件組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。鐵氧體由于其自身特點(diǎn)，對(duì)直流或低頻信號(hào)幾乎沒(méi)有功率損耗，而對(duì)于1MHz以上的高頻噪聲則有很強(qiáng)的吸收作用，并將這些能量以熱的形式

15、釋放，而不是反射回信號(hào)源，也不是輻射出去。在用于群脈沖對(duì)抗器的鐵氧體材料的定制中，我們要求有很大的飽和磁通密度，并且單位體積損耗與飽和磁通密度之比要足夠高，從而使得該器件在體積足夠小的情況下能對(duì)干擾起到較強(qiáng)的抑制作用。半導(dǎo)體器件吸收部分，我們采用 PROTEK 公司的吸收器件，它具有極高的響應(yīng)速度，實(shí)測(cè)值響應(yīng)時(shí)間小于1ns。 反射部分，F(xiàn)TS系列分別采用TDK高飽和磁通密度的材料作為共軛線圈的磁芯，采用特殊的繞線方法，提高對(duì)共模干擾的抑制，降低本器件的分布參數(shù)，而在內(nèi)部濾波電容的選擇上，F(xiàn)TS選用高頻響應(yīng)電容。 由于內(nèi)部半導(dǎo)體和電容器的不同，因此對(duì)抗器的工作電壓也不同。工作電壓高的適用于交流輸

16、入端，而工作電壓低的適宜于直流輸入或輸出端。 圖3是在IEC6100044三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下，未插入 FTS 與插入 FTS 后的試驗(yàn)接線圖。/UpLoadFiles/Editor/2005-7/200572884442598.gif圖4，/UpLoadFiles/Editor/2005-7/200572884442640.gif圖5分別為未插入與插入 FTS 時(shí)在輸出端所測(cè)得波形。由圖看出，插入 FTS 后對(duì)于5ns上升沿的脈沖串的削幅起著重要作用，從而減弱了干擾的能量。 總之，F(xiàn)TS系列在參數(shù)設(shè)計(jì)，器件的選用，線路的布局等諸多方面，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，終于成為分布參數(shù)低、衰減頻率高、對(duì)外輻射小，而對(duì)快速