開關(guān)電源的抗干擾問題

摘要：在敘述電磁兼容的定義及其試驗方法的基礎(chǔ)上介紹抑制電磁干擾的一般方法及其存在的問題。最后介紹新型抗電磁干擾器件—FTS系列群脈沖對抗器與LSA系列雷擊浪涌吸收器的特點。

關(guān)鍵詞：電磁干擾電磁兼容電磁兼容試驗新型抗電磁干擾器件

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 introduced.At the same time,the 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? jamming devices

中圖法分類號：TN97文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)08?373?05

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候更容易受到電磁干擾的威脅。而與此同時，大功率家電及辦公自動化設(shè)備的增多，以及移動通訊、無線尋呼的廣泛應(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標志后才能在歐共體市場上銷售以來，促進各國政府從國際貿(mào)易的角度，高度重視電磁兼容技術(shù)。

　　為了適應(yīng)國際商貿(mào)與技術(shù)發(fā)展的要求，國家技術(shù)監(jiān)督局也準備對聲音和電視廣播設(shè)備、信息技術(shù)設(shè)備、家用和電熱、電動工具、電源、照明電器、火花點火發(fā)動機的驅(qū)動裝置、金融及貿(mào)易結(jié)算電子設(shè)備、安保電子產(chǎn)品、低壓電器等10大類進行強制性EMC認證。凡不符合EMC標準的產(chǎn)品，有關(guān)部門將有權(quán)對產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)和銷售商追究責(zé)任。國家出入境檢驗檢疫局和對外貿(mào)易經(jīng)濟合作部則在1998年12月聯(lián)合發(fā)出了“關(guān)于對6種進口商品實施電磁兼容強制檢測的通知”，規(guī)定對個人計算機、顯示器、打印機、開關(guān)電源、電視機和音響設(shè)備等6種進口商品自1999年1月起實施EMC強制檢測，這標志著電氣和電子產(chǎn)品的電磁兼容性能已開始成為我國商品進出口檢驗中的一項關(guān)鍵指標。

所謂電磁兼容（ElectromagneticCompatibility）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題。

2EMC試驗

以往人們比較重視電磁發(fā)射的測試及抑制技術(shù)，以保護通訊、廣播系統(tǒng)或其它裝置不受干擾。近來，電磁敏感度的測試和對策技術(shù)已成為EMC領(lǐng)域中的熱點，各行業(yè)也紛紛在行業(yè)標準中加入了抗干擾性能的規(guī)定。例如電力系統(tǒng)中對多功能電度表、用戶集中抄表系統(tǒng)、遠動終端繼電保護裝置，都提出了抗干擾的要求。

電力工業(yè)部標準DL/T614《多功能電能表》中規(guī)定了以下幾種抗干擾測試要求：

（1）靜電放電抗擾度試驗

按IEC61000－4－2中規(guī)定，并在下列條件下進行：

接觸放電；

嚴酷等級：4；

試驗電壓：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，計度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X（kW·h）的變化，測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X（kW·h）的脈沖信號量。X的計算公式如下：

X=mUnImax×10－4（1）

式中m——測量單元數(shù);

Un——參比電壓V;

Imax——最大電流,A。

（2）高頻電磁場抗擾度試驗

按IEC61000－4－3中規(guī)定，并在下述條件下進行：

電壓和輔助線路加參比電壓;

頻率范圍：（80～100）MHz;

嚴酷等級：3;

試驗場強：10V/m。

在高頻電磁場的作用下，儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的改變，并能正常工作，計度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X（kW·h）的變化。測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X（kW·h）的脈沖信號量。X的計算公式同式（1）。

在負載電流Ib、功率因數(shù)cosφ為1、處于敏感頻率或主振頻率點的條件下，誤差改變量應(yīng)在表1規(guī)定

極限內(nèi)（此條只對電子式多功能電能表進行）。AAAA

表1高頻電磁場影響

（3）電快速瞬變脈沖群試驗

按照IEC61000－4－4中規(guī)定，并在下述條件下進行：

試驗電壓應(yīng)以共模方式施加；

嚴酷度等級：4；

試驗電壓：4kV；

試驗時間：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，計度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X（kW·h）的變化，測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X（kW·h）脈沖信號量。X的計算公式同式（1）。

（4）浪涌試驗

按IEC61000－4－5中規(guī)定，并在下述條件下進行：

嚴酷等級：4；

試驗電壓：4kV；

波形：1.2/50μs；

極性：正/負；

試驗次數(shù)：正、負極性各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，計度器不應(yīng)該產(chǎn)生大于X（kW·h）的變化，測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X（kW·h）的脈沖信號量。X的計算公式同式（1）

（5）無線電干擾試驗

當(dāng)頻率在（0.15～3）MHz范圍內(nèi)，傳導(dǎo)干擾電壓允許值見表2。

表2傳導(dǎo)干擾電壓允許值

當(dāng)頻率在（30～1000）MHz范圍內(nèi)測量距離為10m的輻射干擾允許值見表3。

表3輻射干擾允許值

（6）外磁場影響試驗

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、隨時間正弦變化、強度為0.5mT(400A/m)的外磁場，且在最不利的方向和相位的情況下進行，試驗中程序不應(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)標準的要求。

（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，需測示值誤差的改變量應(yīng)不超過0.2％,程序不應(yīng)紊亂，內(nèi)存數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失。

雖然國家技術(shù)監(jiān)督局對電源產(chǎn)品并未要求進行抗干擾方面的測試，但是由于各種干擾往往會通過電源傳輸給電子設(shè)備，從而對這些設(shè)備造成危害。開關(guān)電源的生產(chǎn)廠家應(yīng)對抗干擾問題引起足夠的重視。具有良好抗干擾設(shè)計的電源，能使用戶在產(chǎn)品設(shè)計中無需考慮由電源引起的抗干擾問題，大大加快用戶的產(chǎn)品開發(fā)周期和節(jié)約開發(fā)成本。

3干擾的方式與類型

電源干擾可以以“共?！被颉安钅！狈绞酱嬖??！肮材！备蓴_是指電源對大地，或中線對大地之間的電位差。有時也稱為縱橫干擾、不對稱干擾或接地干擾，這是載流導(dǎo)體與大地之間的電位差。

“差模”干擾存在于電源相線與中線之間，對于三

相電路來說，還存在于相線與相線之間。有時也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。

兩種干擾模式的區(qū)別是十分重要的，因為對共模干擾是不能用差模的方式來解決的，反之亦然。

干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進行變化。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電源干擾的類型

表4中的幾種干擾，能夠通過電源進行傳輸并造成設(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，就不會造成由電源引起的對用電設(shè)備的影響。

良好的電源設(shè)計應(yīng)使電源在較惡劣的電磁環(huán)境中本身能正常工作，同時應(yīng)對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：

圖1典型的電源線路濾波器

（1）在電源的輸入端加入線路濾波器。如圖1所示。其中L1和L2的線圈同方向繞在同一磁芯上，這兩個電感對于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是互相抵銷的，因此不會引起磁芯的飽和。而對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，所以又稱為共模電感。

CX電容被用來衰減差模干擾，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，而對于脈沖干擾，其諧波頻率往往高達上百兆赫，實際使用下來其效果往往并不明顯。例如某研究機構(gòu)對20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進行了測試，超過20dB的僅有4種，甚至有的會在輸出端產(chǎn)生振蕩。

（2）采用帶屏蔽層的變壓器

由于共模干擾是一種相對大地的干擾，所以它主要通過變壓器繞組間的耦合電容來傳遞。如果在初、次級之間插入屏蔽層，并使之良好接地，便能使干擾電壓通過屏蔽層旁路掉，從而減小輸出端的干擾電壓。屏蔽層對變壓器的能量傳輸并無不良影響，但影響了繞組間的耦合電容。圖2畫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到60dB左右。但實際使用后可以發(fā)現(xiàn)，對于尖峰干擾有抑制，其效果也不十分明顯。

圖2帶屏蔽層的變壓器

C1：初級繞組與屏蔽層之間的分布電容C2：次級繞組與屏蔽層之間的分布電容

ZE:屏蔽層接地阻抗Z2：負載對地阻抗

e1:初級干擾（共模型）電壓e2：次級干擾（共模型）電壓

（3）壓敏電阻、氣體放電管、TVS管、固體放電管等吸波器件。這類器件都有共同的特點，即在閾值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗，而一旦超過閾值電壓，則阻抗便急劇下降，因此對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300V～400V。

5FTS系列群脈沖對抗器及LSA系列雷擊浪涌吸收器

上海三基公司設(shè)計的FTS群脈沖對抗器系列與

LSA雷擊浪涌吸收器系列，就具有高速的響應(yīng)級別、高的耐壓和更強的浪涌吸收電流。

圖3試驗接線圖

（a）未插入FTS（b）插入FTS

圖4未插入FTS時測得的波形

（a）A處波形（b）B處波形

圖5插入FTS后測得的波形

(a)A處波形(b)B處波形

FTS系列群脈沖干擾對抗器是根據(jù)用戶反映電子產(chǎn)品難于通過IEC61000－4－4標準（關(guān)于電快速瞬態(tài)脈沖干擾的標準）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2.5kHz或5kHz的脈沖群，其諧波頻率可達100MHz，而普通電源濾波器無法起到抑制作用。

普通電源濾波器是由一些無損耗電抗元件構(gòu)成的，能阻止頻帶以外的其它信號通過，并把它反射到信號源。因此當(dāng)阻抗不匹配時，一部分有用信號將被反射，重新返回信號源，這樣反而導(dǎo)致干擾電平的增加而不是減小。而群脈沖干擾對抗器則克服了電源濾波器的上述缺點，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用鐵氧體材料以及美國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，對直流或低頻信號幾乎沒有功率損耗，而對于1MHz以上的高頻噪聲則有很強的吸收作用，并將這些能量以熱的形式釋放，而不是反射回信號源，也不是輻射出去。在用于群脈沖對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干擾起到較強的抑制作用。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，實測值響應(yīng)時間小于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，因此對抗器的工作電壓也不同。工作電壓高的適用于交流輸入端，而工作電壓低的適宜于直流輸入或輸出端。

圖3是在IEC61000－4－4三級標準下，未插入FTS與插入FTS后的試驗接線圖。圖4，圖5分別為未插入與插入FTS時在輸出端所測得波形。由圖看出，插入FTS后對于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。

表6LSA雷擊浪涌吸收器系列參數(shù)（工作電壓：240VAC）

表5FTS群脈沖對抗器系列參數(shù)

型號

參數(shù)

總之，F(xiàn)TS系列在參數(shù)設(shè)計，器件的選用，線路的布局等諸多方面，經(jīng)過反復(fù)試驗，終于成為分布參數(shù)低、衰減頻率高、對外輻射小，而對快速瞬變脈沖有著極強抑制作用的對抗器件。

LSA雷擊浪涌吸收器系列與其它元器件相比具有高速響應(yīng)（納秒級）和更強的浪涌吸收能力，最大吸收浪涌電流可達4000A。

FTS群脈沖對抗器系列和LSA雷擊浪涌吸收器系列的具體參數(shù)分別列于表5及表6。