电源线的干扰问题与解决方法

作者：Zarlink公司系统设计师 Gordon J. Reesor

欢迎访问e展厅 展厅 9 电池/开关电源展厅 电池, 碱性电池, 锂离子电池, 纽扣电池, 太阳能电池, ... 电源线上的干扰问题包括两个方面，一个是电网上的干扰通过电源线传入设备，另一个是设备内的干扰通过电源线传导进电网。前者是传导抗扰度的问题，后者是传导干扰发射的问题。在设计中，对这两个方面的问题都要采取措施予以解决。 1 传导抗扰度 电网上的干扰可以分为连续的干扰和瞬态的干扰。这些干扰既可以来自共用电网的其他设备产生的传导性干扰，也可以由空间的电磁波在电力线上感应产生共模干扰。 对于设备威胁最大的干扰是幅度很大的瞬态干扰。这种瞬态干扰主要有两个来源，一个是电网上的感性负载断开时产生的脉冲电压，另一个是附近发生雷电时在电力线上感应的脉冲电压。 感性负载断开时瞬态干扰产生的机理如图1所示。 在电感负载的电路中，当开关断开时，根据电感的特性，电感上的电流不能突然消失，为了维持这个电流，电感上会产生一个很高的反电动势E，根据楞次定律，这个电压为： E = dj / dt = -L ( di / dt ) j = 电感中的磁通(T×m2) L = 电感(H) i = 电感中的电流(A) 这个反电动势向电感的寄生电容C反向充电。随着充电电压的升高，触点上的电压也升高，当达到一定程度时，将触点击穿，形成导电通路，电容C开始放电，电压开始下降，当电压降到维持触点空气导通的电压以下时，通路断开，又重复上面的过程。这种过程一直重复到由于触点之间的距离增加，电容上的电压不能击穿触点为止。当电容上的电压不能通过击穿触点放电时，就通过电感回路放电，直到电感中的能量耗尽为止。 关于这种干扰的说明如下： (1) 随着触点的距离越来越远，击穿触点需要的电压越来越高，因此电容上的电压越来越高。 (2) 随着击穿触点需要的电压越来越高，电容充电的时间越来越长，因此震荡波形的频率越来越低。 (3) 电容C每次击穿触点向电源回路反向放电时，会在电源回路上形成很大的脉冲电流，由于电源阻抗的存在，这些脉冲电流在电源两端形成了脉冲电压，从而对共用这个电源的其他电路造成影响。 (4) 从理论上讲，这种干扰仅发生在控制感性负载的机械触点断开的瞬间，但是，实际当触点闭合时，也会发生干扰，这种干扰是由于机械触点跳跃产生的。 这种干扰的特点是不是单个脉冲，而是一连串的脉冲，因此，它对电路的影响较大。因为一连串的脉冲可以在电路的输入端产生累计效应，使干扰电平的幅度最终超过电路的噪声门限。从这个机理上看，脉冲串的周期越短，则对电路的影响越大。因为当脉冲串中的每个脉冲相距很近时，电路的输入电容没有足够的时间放电，就又开始新的充电，容易达到较高的电平。 针对感性负载断开时产生的干扰和附近发生雷电时产生的干扰这两种现象，在电磁兼容试验中，有对应的“电快脉冲试验”和“浪涌”试验。浪涌的特点是脉冲宽度宽，能量大。 2 传导干扰发射 设备产生传导干扰发射的主要原因是设备中的开关电源。开关电源虽然有体积小、效率高、调压范围宽等优点，但是干扰问题十分突出。开关电源产生的干扰主要有两种，一种是电源奇次谐波发射，另一种是开关频率的射频发射。电源频率的奇次谐波是由于电源的输入电流不是正弦波所至，开关频率的射频发射是由于流过开关管和变压器的电流是脉冲波形所至(图2)。 3 电源线干扰滤波器的原理 除了浪涌干扰以外，各种形式的传导干扰问题(传导发射和抗扰度)都可以通过电源线滤波器解决。电源线滤波器的基本结构如图3所示。 图中各个器件的作用如下： (1) 差模滤波电容：跨接在火线和零线之间，对差模电流起旁路作用。 电容值为0.1～1μF。 (2) 共模滤波电容：跨接在火线或零线与机壳地之间，对共模电流起旁路作用，电容值不能过大，否则会超过安全标准中对漏电流(3.5mA)的限制要求，一般在10000pF以下。医疗设备中对漏电流的要求更严，在医疗设备中，这个电容的容量更小，甚至不用。 (3) 共模扼流圈：在普通的滤波器中，往往仅安装一个共模扼流圈，利用共模扼流圈的漏电感产生适量的差模电感，起到对差模电流的抑制作用。有时，人为地增加共模扼流圈的漏电感，提高差模电感量。共模扼流圈的电感量范围为1mH至数十mH，取决于要滤除的干扰的频率，频率越低，需要的电感量越大。 基本电路对干扰的滤波效果很有限，仅用在要求最低的场合。要提高滤波器的效果，可在基本电路的基础上增加一些器件，下面列举一些常用电路： (1) 强化差模滤波方法一：与共模扼流圈串联两只差模扼流圈，增大差模电感； (2) 强化差模滤波方法二：在共模滤波电容的右边增加两只差模扼流圈，同时在差模电感的右边增加一只差模滤波电容； (3) 强化共模滤波：在共模滤波电容右边增加一只共模扼流圈，对共模干扰构成T形滤波； (4) 强化共模和差模滤波：在共模扼流圈右边增加一只共模扼流圈，再加一只差模电容。 这里所示的基本电路虽然十分简单，但是在实现起来要注意一些问题。其中最重要的问题就是滤波的高频滤波性能问题。理想的滤波器应该在特定频率以上具有较大的衰减，但是实际的滤波器当频率超过30MHz时，衰减开始减小。我们一般在滤波器厂家提供的插入损耗特性曲线上仅能看到30MHz以下的部分，其中一个原因就是滤波器的插入损耗在30MHz以上会减小。当然这个理由是不能公开的，因此，公开的正当理由是：电磁兼容标准中对传导干扰发射的限制最高只到30MHz，没有必要关心滤波器在30MHz以上的情况。实际上，这是站不住脚的。尽管各种电磁兼容标准中关于传导发射的限制仅到30MHz(旧军标到50MHz，新军标到10MHz)，但是如果对高频传导发射干扰不能有效的抑制，电源线上的高频传导电流会导致辐射发射，使设备的辐射发射超标。另外，瞬态脉冲敏感度试验中的试验波形往往包含了很高的频率成分，如果不滤除这些高频干扰，也会导致设备的敏感度试验失败。提高滤波器的高频特性是十分重要的。改善滤波器的高频特性从以下几个方面着手。 (1) 内部结构：滤波器的连线要按照电路结构向一个方向布置，在空间允许的条件下，电感与电容之间保持一定的距离，必要时，可设置一些隔离板，减小空间耦合。 (2) 电感：控制电感的寄生电容。必要时，使用多个电感串联的方式。 (3) 差模滤波电容：电容的引线要尽量短。要理解这个要求的含义：电容与需要滤波的导线(火线和零线)之间的连线尽量短。如果滤波器安装在线路板上，线路板上的走线也会等效成电容的引线。这时，要注意保证实际的电容引线最短。 (4) 共模电容：电容的引线要尽量短。对这个要求的理解和注意事项同差模电容相同。但是，滤波器的共模高频滤波特性主要靠共模电容保证，并且共模干扰的频率一般较高，因此共模滤波电容的高频特性更加重要。使用三端电容可以明显改善高频滤波效果。但是要注意三端电容的正确使用方法。即，要使接地线尽量短，而其他两根线的长短对效果几乎没有影响。必要时可以使用穿心电容，这时，滤波器本身的性能可以维持到1GHz以上。 4 电源线干扰滤波器的正确使用 电源线滤波器虽然从电路结构上看是一个简单的两端口网络，在电路图表示上就是将滤波器串联进需要滤波的电路。但是在实际应用中，滤波器的性能与其安装方式有很大的关系。可以说，安装方式对最终的滤波性能起了决定性的作用。这是滤波器不同于其他电子器件的一个重点所在。也正是由于许多人没有认识到这一点，才会发生许多本来很简单的电磁兼容问题。电源线滤波器的正确安装方法是： (1) 滤波器靠近机箱上的电源端口，并且保持滤波器与电源端口之间的连线最短，最理想的方法，滤波器上带电源线插座。将滤波器贴装在机箱的电源端口处，使实际的连线长度为零。 (2) 避免滤波器的输入/输出线靠得过近。否则，输入/输出线之间的电容会导致高频干扰发生空间耦合，从而将滤波器旁路掉。这种效果对滤波器的高频特性影响很大，使滤波器的高频滤波效果变差。 (3) 滤波器的金属壳要直接贴装在金属机箱上，或塑料机箱内较大的金属板上。滤波器的外壳上都有一个接地端子，这无形中在提醒使用者：滤波器需要接地。因此，在实际工程中，毫无例外地看到滤波器的接地端子上都连着一根接地线。但是，为什么要连这根线，却很少有人知道。这根地线从滤波器设计者的角度考虑，是让使用者将滤波器接到屏蔽机箱或一块大金属板上的。但是，现代电子设备的干扰频率很高，通过一根导线接地，对于射频干扰阻抗是很大的，根本不能作为一根良好的地线。 许多产品为了降低成本和体积 ，将滤波器直接安装在线路板上。在使用这种方法时，要注意的问题是，空间的干扰会直接感应到滤波电路上的任何一个部位，使滤波器失效。因此，这种方式往往仅适合于干扰频率很低的场合。如果设备使用了这种滤波方式(有些电源上就安装了滤波电路)，一种补救措施是：在电源线入口处安装一只共模滤波器，这个滤波器可以仅对共模干扰有抑制作用。因为，空间感应到导线上的干扰电压都是共模形式。电路可以由一个共模扼流圈、两只共模滤波电容构成。如果用穿心电容，可以获得非常理想的滤波效果。但要注意，这里的共模电容容量与原来的相加，可能导致漏电流超标。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/23/2005)