电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,最高可达150MHz。电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。
根据传播方向的不同,电源噪声可分为两大类:
①. 一类是从电源进线引入的外界干扰;
②. 一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。
从形成特点看,噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。
①. 串模干扰是两条电源线之间(简称线对线)的噪声。
②. 共模干扰则是两条电源线对大地(简称线对地)的噪声。
开关电源属于强干扰源,其本身产生的干扰直接危害着电子设备的正常工作。因此,抑制开关电源本身的电磁噪声,同时提高其对电磁干扰的抗扰性,在设计和开发过程中需要特别的关注。
开关电源的干扰一般分为两大类:一是开关电源内部元器件形成的干扰;二是由于外界因素影响而使开关电源产生的干扰。
开关电源产生的EMI主要是由基本整流器产生的高次谐波电流干扰和功率变换电路产生的尖峰电压干扰。
①.基本整流器的整流过程是产生EMI
最常见的原因。这是因为工频交流正弦波通过整流后不再是单一频率的电流,而变成一直流分量和一系列频率不同的谐波分量,谐波(特别是高次谐波)会沿着输电
线路产生传导干扰和辐射干扰,使前端电流发生畸变,一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变,另一方面通过电源线产生射频干扰。
②.功率变换电路是开关稳压电源的核心。产生这种脉冲干扰的主要元件为:
d.电容、电感器和导线。开关电源由于工作在较高频率,会使低频元件特性发生变化,由此产生噪声。
开关电源外部干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化、频率变化、波形失真、持续噪声或杂波以及瞬变等,电源干扰的类型如下表所示。
表 1-1 开关电源外部干扰类型表
序号 | 干扰类型 | 典型的起因 |
1 | 跌落 | 雷击;重载接通;电网电压低下 |
2 | 失电 | 恶劣的气候;变压器故障;其他原因的故障 |
3 | 频率偏移 | 发电机不稳定;区域性电网故障 |
4 | 电气噪声 | 雷达;无线电讯号;电力公司和工业设备的飞弧;转换器和逆变器 |
5 | 浪涌 | 突然减轻负载;变压器的抽头不恰当 |
6 | 谐波失真 | 整流;开关负载;开关型电源;调速驱动 |
7 | 瞬变 | 雷击;电源线负载设备切换;功率因素补偿电容切换;空载电动机的断开 |
抑制电磁干扰应该从骚扰源、传播途径和受扰设备人手。首先应该抑制骚扰源,直接消除干扰原因;其次是消除骚扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径;第三是提高受扰设备的抗扰能力,减低其对噪声的敏感度。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。
采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰,即用电导率良好的材料对电场进行屏蔽,用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。
所谓接地,就是在两点间建立传导通路,以便将电子设备或元器件连接到某些叫作“地”
的参考点上。接地是开关电源设备抑制电磁干扰的重要方法,电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则,如
果形成多点接地,会出现闭合的接地环路,当磁力线穿过该环路时将产生磁感应噪声。实际上很难实现“一点接地”,因此,为降低接地阻抗,消除分布电容的影响
而采取平面式或多点接地,利用一个导电平面作为参考地,需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降,可用旁路电容减少返回电流的幅
值。在低频和高频共存的电路系统中,应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后,再连接到公共参考点上。
图4-1:简易式单级EMI滤波器电路
图4-2.两级复式EMI滤波器电路
两级复式EMI滤波器电路效果比图一效果更佳。
显然,这是一个共模扼流圈的典型单环滤波电路。根据电路特点,它只适用于直流输出端对地对称的电源电路。
图9 二级π型滤波器
4.2.1差模滤波电路
由于开关电源的开关频率谐波噪声源阻抗为低阻抗,所以与之相对应的滤波器输出端应是高阻抗串联大电感LDM。
AC电网火线和零线之间是低阻抗,所以与之对应的滤波器输入端也应是高阻抗串联大电感LDM。如果想再进一步抑制差模噪声,可以在滤波器输入端并接线间电容CX1,条件是它的阻抗要比AC电网火线、零线之间的阻抗还要低得多。
图1 共模滤波器模型
图2 完整的差模滤波器模型
图3 组合滤波器电路
根据要求插入损耗,可求出滤波电路的LCM、LDM、Cx、Cy的值。如果单环电路的插入损耗不能满足要求时,应该选择双环电路。
4.2.3交流三相滤波电路
交流三相滤波电路又分为三相三线制和三相四线制两种。
图4 单环三相三线制滤波电路
比较图4三相中的每一相电路即每相对地电路和典型单相电路就不难发现,其共模电路三相采用π型电路,单相采用L型电路;而差模电路三相的输出端有Cx电容,单相的输出端无Cx电容。
对比双环单相和三相三线制滤波电路(图5)不难发现,三相中的每一相电路和单相电路完全一样。
典型的单环三相四线制滤波电路如图7所示。
比较三相中的每一相电路即每相对中线电路和单相电路,同样差模电路三相的输出端有Cx电容。对地的共模电路三相采用π型电路,但区别的是Cy电容对每相来讲是公用的。
2 明确工作频率和所要抑制的干扰频率,如两者非常接近,则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器,才能把两种频率分开;
2 保证滤波器在高压情况下能够可靠地工作;
2 滤波器连续通以最大额定电流时,其温升要低,以保证在该额定电流连续工作时,不破坏滤波器中元件的工作性能;
2 为使工作时的滤波器频率特性与设计值相符合,要求与它连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值:
2 滤波器必须具有屏蔽结构,屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触,滤波器的电容引线应尽量短,最好选用短引线低电感的穿心电容;
2 要有较高的工作可靠性,因为作防护电磁干扰用的滤波器,其故障往往比其他元器件的故障更难找。
2 电源线路滤波器应安装在离设备电源人口尽量靠近的地方,不要让未经过滤波器的电源线在设备框内迂回;
2 滤波器中的电容器引线应尽可能短,以免因引线感抗和容抗在较低频率上谐振;滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过,会引起附加的电磁辐射,故应对滤波器元件本身进行良好的屏蔽和接地处理;
2 滤波器的输人和输出线不能交叉,否则会因滤波器的输入和输出电容耦合通路引起串扰,从而降低滤波特性,通常的办法是输入和输出端之间加隔板或屏蔽层。
2 要将噪声滤波器正确地连接到设备内部的每一单元。
若带有单独电源的若干单元安装在一个机壳内,那么必须把每一个单元视为设备的独立部分。每一单元必须连接各自的噪声滤波器,否则在机壳内,这些单元中的每一单元的噪声都会传导给其他单元。
在用户选择滤波器时,最关心插入损耗性能。但是,往往插入损耗相近的滤波器,在实际运用中效果相差甚远。究其主要原因是,相近插入损耗的滤波器可由不同的电路实现。这和理论分析是吻合的,因为插入损耗本身是个多解函数。
所以,选择滤波器时首先应选择适合你所用的滤波电路和插入损耗性能。要做到这一点,就要求了解所使用电源的等效噪声源阻抗和所需要对噪声的抑制能力。
那么滤波电路和电源等效噪声之间存在什么样的关系呢?
众所周知,EMI滤波器是由L、C构成的低通器件。为了在阻带内获得最大衰减,滤波器输入端和输出端的阻抗需与之连接的噪声源阻抗相反,即对低阻抗噪声源,滤波器需为高阻抗(大的串联电感);对高阻抗噪声源,滤波器就需为低阻抗(大的并联电容)。对于EMI滤波器,这些原则应用于共模和差模中。
如按此原则选用的滤波器,在实际运用中仍存在效果相差很多的现象,特别发生在重载和满载的情况下。造成这一问题的主要原因可能是滤波器中的电感器件在重
载和满载时,产生饱和现象,致使电感量迅速下降,导致插入损耗性能大大变坏。其中尤以有差模电感的滤波器为多。因差模电感要流过电源火线或零线中的全部工
作电流,如果差模电感设计不当,电流一大,就很容易饱和。当然也不排除共模扼流圈,因生产工艺水平较差,两个绕组不对称,造成在重载或满载时产生磁饱和的
可能。
在实际工程中,要滤除的电磁噪声频率往往高达数百MHz,甚至超过1GHz。对这样高频的电磁噪声必须使用穿心电容才能有效地滤除。
普通电容之所以不能有效地滤除高频噪声,是因为两个原因,一个原因是电容引线电感造成电容谐振,对高频信号呈现较大的阻抗,削弱了对高频信号的旁路作用;另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合,降低了滤波效果。
穿
心电容之所以能有效地滤除高频噪声,是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率过低的问题,而且穿心电容可以直接安装在金属面板上,利用金属面板起
到高频隔离的作用。但是在使用穿心电容时,要注意的问题是安装问题。穿心电容最大的弱点是怕高温和温度冲击,这在将穿心电容往金属面板上焊接时造成很大困
难。许多电容在焊接过程中发生损坏。特别是当需要将大量的穿心电容安装在面板上时,只要有一个损坏,就很难修复,因为在将损坏的电容拆下时,会造成邻近其
它电容的损坏。
随
着电子设备复杂程度的提高,设备内部强弱电混合安装、数字逻辑电路混合安装的情况越来越多,电路模块之间的相互骚扰成为严重的问题。解决这种电路模块相互
骚扰的方法之一是用金属隔离舱将不同性质的电路隔离开。但是所有穿过隔离舱的导线要通过穿心电容,否则会造成隔离失效。当不同电路模块之间有大量的联线
时,在隔离舱上安装大量的穿心电容是十分困难的事情。使用滤波阵列板能够轻而易举地解决大量导线穿过金属面板的问题,它是用特殊工艺事先将穿心电容焊接在一块金属板构成的器件。
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