開關(guān)電源的抗干擾問題

1、開關(guān)電源的抗干擾問題上海三基電子工業(yè)有限公司林先放(上海200063)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題。最后介紹新型抗電磁干擾器件一FTS系列群脈沖對抗器與LSA系列雷擊浪涌吸收器的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：電磁干擾電磁兼容電磁兼容試驗(yàn)新型抗電磁干擾器件- nhl cin.s on Arr.i二口i.iiiigi7njy卩例Supjil yAbstract: On the basis of definition and experimental method of electromagneticco i：ib.: b 11 i i.yhgr.pral

2、硏廳and pv)bl cm()P -：.rii. i Jon.i ng v/nre i I roducct. .IJK：s;：rnr7rn i.bc (harric Ici si.i(:)srm(! a i nnl.i jrimni i(k：v icns, FTS snr i oP jmlr：r.i.a(jiirsIITI；:HIKLLSA series of lightning surge absorbers,were presented.Keywords: Electromagnetic jamming, Electromagnetic compatibility, Electromag

3、netic compatibilityI Rsi.h血胃i.ypc fi-| iJfii:IIIIi ri(k：v ires中圖法分類號：TN97文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2 i：-；2：J(：(：i)S泊；L1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(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

4、。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)志后才能在歐共體市場上銷售以來，促進(jìn)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(zhǔn)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(diǎn)火發(fā)動機(jī)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(jìn)行強(qiáng)制性EMC認(rèn)證。凡不符合EMC標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)檢疫局和對外貿(mào)易經(jīng)濟(jì)合作部則在1

5、998年12月聯(lián)合發(fā)出了“關(guān)于對6種進(jìn)口商品實(shí)施電磁兼容強(qiáng)制檢測的通知”，規(guī)定對個(gè)人計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)、開關(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雖制檢測，這標(biāo)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(jìn)岀口檢驗(yàn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。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(yàn) 以往人們比較重視電磁發(fā)射的測試及抑

6、制技術(shù)，以保護(hù)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(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)中對多功能電度表、用戶集中抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)動終端繼電保護(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：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，測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X(kW- h)的脈沖信號量。

7、X的計(jì)算公式如下：X=mUnlmaXX10 4(1)式中m-測量單元數(shù)；Un-參比電壓V;lmax最大電流,A。(2)高頻電磁場抗擾度試驗(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：3;試驗(yàn)場強(qiáng)：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(jì)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(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)(此條只對電子式多功能電能表進(jìn)行)。

8、AAAA表1高頻電磁場影響負(fù)載電流功率因數(shù)對應(yīng)等級的誤差改變量極限()0.20.5123lbCOS0=1.01.02.02.03.03.0(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：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)岀現(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 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(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：4;試驗(yàn)電壓：4kV;波形：1.2/50卩s;極性：正/負(fù)；試驗(yàn)次數(shù)：正、負(fù)

9、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)岀現(xiàn)損壞或信息的變化， 并能正常工作， 計(jì)度器不應(yīng)該產(chǎn)生大于 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(jì)算公式同式(1)(5)無線電干擾試驗(yàn)當(dāng)頻率在(0.153)MHz范圍內(nèi)，傳導(dǎo)干擾電壓允許值見表2。表2傳導(dǎo)干擾電壓允許值頻段(MHz)允許值dBV/m）峰值平均值0.150.506656 56460.50556465306050當(dāng)頻率在（301000）MHz范圍內(nèi)測量距離為10m的輻射干擾允許值見表3。表3輻射干擾允許值頻段(MHz)允許值dB(gV/m)3023030230100037（6）外磁場影響試驗(yàn)在正常

10、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，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， 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(jìn)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(jì)的電源，能使用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中無需考慮

11、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“共模”或“差?！狈绞酱嬖凇?“共?！备蓴_是指電源對大地， 或中線對大地之間的電位 差。有時(shí)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?！安钅！备蓴_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(shí)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?yàn)閷材８蓴_是不能用差模的方式來解決的，反之亦然。X(kW- h)的變X(kW- h)的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(jìn)行變化。其中也包括電壓變化（如電壓的跌落、 浪

12、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電源干擾的類型序號干擾的類型典型的起因1跌落雷擊；重載接通；電網(wǎng)電壓低下2失電惡劣的氣候；變壓器故障；其他原因的故障3頻率偏移發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定；區(qū)域性電網(wǎng)故障4電氣噪聲雷達(dá)；無線電訊號；電力公司和工業(yè)設(shè)備的飛弧；轉(zhuǎn)換器和逆變器5浪涌突然減輕負(fù)載；變壓器的抽頭不恰當(dāng)6諧波失真整流；開關(guān)負(fù)載；開關(guān)型電源；調(diào)速驅(qū)動7瞬變雷擊；電源線負(fù)載設(shè)備的切換；功率因素補(bǔ)償電容的切換；空載電動機(jī)的斷開表4中的幾種干擾，能夠通過電源進(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

13、不產(chǎn)生停振、輸岀電壓跌落等現(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(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(gè)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。

14、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(dá)上百兆赫， 實(shí)際使用下來其效果往往并不明顯。例如某研究機(jī)構(gòu)對20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進(jìn)行了測試，超過20dB的僅有4種，甚至有的會在輸岀端產(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，從而減小輸岀端的干擾電壓。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畫岀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，

15、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(fù)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(diǎn)，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

16、夠大，TVS管和固體放電管的閾值電壓一般僅為300V400V。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(jì)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(qiáng)的浪涌吸收電流。圖3試驗(yàn)接線圖(a)未插入FTS(b)插入FTS圖4未插入FTS時(shí)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(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2.

17、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(shí)，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(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用鐵氧體材料以及美國PROTE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(qiáng)的吸收作用，并將這些能量以熱的形式釋放，而

18、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(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

19、 作電壓低的適宜于直流輸入或輸出端。圖3是在IEC6100044三級標(biāo)準(zhǔn)下，未插入FTS與插入FTS后的試驗(yàn)接線圖。圖4，圖5分別為未插入 與插入FTS時(shí)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額定電流(A)瞬變電壓(V)瞬變電流(A)最大相電壓(線對中線)(V)最大相電壓(線對地)(V)LSA1B1200010008001000LSA1D1400020008001000LSA1F1600030008001000LSA1J1800040008001000LSA3B3200010008001000LSA3D3400020008001000LSA3F3600030008001000LSA3J3800040008001000LSA6B6200010008001000LSA6