電源噪聲干擾原因及消噪解決

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電源干擾

一.電源噪聲的基本概念電源噪聲是電磁干擾的一種,其傳導噪聲的頻譜大致為

10kHz~30MHz,最高可達 150MHz。電源噪聲,特別是瞬態噪聲干擾,其上升

速度快、持續時間短、電壓振幅度高、隨機性強,對微機和數字電路易產生嚴 重干擾。 根據傳播方向的不同,電源噪聲可分為兩大類:

①. 一類是從電源進線引入的外界干擾;

②. 一類是由電子設備產生并經電源線傳導出去的噪聲。 從形成特點看,噪聲干擾分串模干擾與共模干擾兩種。 ①. 串模干擾是兩條電源線之間(簡稱線對線)的噪聲。

②. 共模干擾則是兩條電源線對大地(簡稱線對地)的噪聲。

二.開關電源的干擾開關電源屬于強干擾源,其本身產生[/url]的干擾直接危害著

電子設備的正常工作。因此,抑制開關電源本身的電磁噪聲,同時提高其對電

磁干擾的抗擾性,在設計和開發過程中需要特別的關注。 開關電源的干擾一般分為兩大類:一是開關電源內部元器件形成的干擾;二是

由于外界因素影響而使開關電源產生的干擾。

2.1 內部元器件干擾開關電源產生的 EMI 主要是由基本整流器產生的高次諧波 電流干擾和功率變換電路產生的尖峰電壓干擾。

①.基本整流器的整流過程是產生 EMI 最常見的原因。這是因為工頻交流正弦

波通過整流后不再是單一頻率的電流,而變成一直流分量和一系列頻率不同的

諧波分量,諧波(特別是高次諧波)會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾,使

前端電流發生畸變,一方面使接在其前端電源線上的電流波形發生畸變,另一

方面通過電源線產生射頻干擾。

②.功率變換電路是開關穩壓電源的核心。產生這種脈沖干擾的主要元件為:

a.開關管。開關管及其散熱器與外殼和電源內部的引線間存在分布電容,當開關

管流過大的脈沖電流(大體上是矩形波)時,該波形含有許多高頻成份;同時,開

關電源使用的器件參數如開關功率管的存儲時間,輸出級的大電流,開關整流

二極管的反向恢復時間,會造成回路瞬間短路,產生很大短路電流,另外,開

關管的負載是高頻變壓器或儲能電感,在開關管導通的瞬間,變壓器初級出現

很大的涌流,造成尖峰噪聲。

b.高頻變壓器。 開關電源中的變壓器,用作隔離和變壓,但由于漏感的原 2 因,

會產生電磁感應噪聲;同時,在高頻狀況下變壓器層間的分布電容會將一次側

高次諧波噪聲傳遞給次級,而變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通路,

使變壓器周圍產生的電磁場更容易在其他引線上耦合[/url]形成噪聲。[/B]

c.整流二極管。整流二極管二次側整流二極管用作高頻整流時,由于反向恢復時

間的因素,往往正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時不能立即消除(因載流子

的存在,還有電流流過)。一旦這個反向電流恢復時的斜率過大,流過線圈的電

感就產生了尖峰電壓,在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強的高

頻干擾,其頻率可達幾十 MHz。[/B]

d.電容、電感器和導線。開關電源由于工作在較高頻率,會使低頻元件特性發生

變化,由此產生噪聲。[/B]

2.2 外部干擾[/B]開關電源外部干擾可以以“共?!被颉安钅!狈绞酱嬖?。干擾類型


可以從持續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、

頻率變化、波形失真、持續噪聲或雜波以及瞬變等,電源干擾的類型如下表所 示。[/B]

表 1-1 開關電源外部干擾類型表 序號 干擾類型 典型的起因

1 跌落 雷擊;重載接通;電網電壓低下

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 發電機不穩定;區域性電網故障

4 電氣噪聲 雷達;無線電訊號;電力公司和工業設備的飛??;轉換器和逆變器

5 浪涌 突然減輕負載;變壓器的抽頭不恰當

6 諧波失真 整流;開關負載;開關型電源;調速驅動

7 瞬變 雷擊;電源線負載設備切換;功率因素補償電容切換;空載電動機的斷開 在表 1-1 中的幾種干擾中,能夠通過電源進行傳輸并造成設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備 本身不產生停振、輸出電壓跌落等現象,就不會造成因電源引起的對用電設備

的影響。[/B]

三.抑制干擾的一些措施抑制電磁干擾應該從騷擾源、傳播途徑和受擾設備人手。

首先應該抑制騷擾源,直接消除干擾原因;其次是消除騷擾源和受擾設備之間

的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,

減低其對噪聲的敏感度。常用的方法是屏蔽、接地和濾波。

3.1 屏蔽采用屏蔽技術可以有效地抑制開關電源的電磁輻射干擾,即用電導率良 好的材料對電場進行屏蔽,用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。

3.2 接地所謂接地,就是在兩點間建立傳導通路,以便將電子設備或元器件連接

到某些叫作“地” 的參考點上。接地是開關電源設備抑制電磁干擾的重要方法,

電源某些部分與大地相連可以起到抑制干擾的作用。在電路系統設計中應遵循

“一點接地”的原則,如果形成多點接地,會出現閉合的接地環路,當磁力線穿過

該環路時將產生磁感應噪聲。實際上很難實現“一點接地”,因此,為降低接地阻

抗,消除分布電容的影響而采取平面式或多點接地,利用一個導電平面作為參


考地,需要接地的各部分就近接到該參考地上。為進一步減小接地回路的壓降,

可用旁路電容減少返回電流的幅值。在低頻和高頻共存的電路系統中,應分別

將低頻電路、高頻電路、功率電路的地線單獨連接后,再連接到公共參考點上。

3.3 濾波濾波是抑制傳導干擾的有效方法,在設備或系統的電磁兼容設計中具有

極其重要的作用。EMI 濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元,可以抑制

來自電網的干擾對電源本身的侵害,也可以抑制由開關電源產生并向電網反饋 的干擾。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器、三端電 容器、鐵氧體磁環,它們能夠改善電路的濾波特性。恰當地設計或選擇濾波器,

并正確地安裝和使用濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分。

四.電磁干擾濾波器

電磁干擾濾波器也稱為 EMI 濾波器,它對串模、共模干擾都起到抑制作用,能 有效地抑制電網噪聲,提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性,可廣泛用 于電子測量儀器、計算機機房設備、開關電源、測控系統等領域。4.1 直流電網

電磁干擾濾波器 4.1.1 類型



4.1.2 基本電路

圖 4-1:簡易式單級 EMI 濾波器電路

在圖 4-1 中,該五端器件有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端,使用時外殼



應接通大地。電路中包括共模扼流圈(亦稱共模電感)L、濾波電容 C1~C4。L

對串模干擾不起作用,但當出現共模干擾時,由于兩個線圈的磁通方向相同,

經過耦合后總電感量迅速增大,因此對共模信號呈現很大的感抗,使之不易通

過,故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁

環上,當有電流通過時,兩個線圈上的磁場就會互相加強。需要指出,當額定

電流較大時,共模扼流圈的線徑也要相應增大,以便能承受較大的電流。此外,

適當增加電感量,可改善低頻衰減特性。C1 和 C2 采用薄膜電容器,容量范圍大

致是 0.01μF~0.47μF,主要用來濾除串模干擾。C3 和 C4 跨接在輸出端,并將電容

器的中點接地,能有效地抑制共模干擾。C3 和 C4 亦可并聯在輸入端,仍選用陶

瓷電容,容量范圍是 2200pF~0.1μF。為減小漏電流,電容量不得超過 0.1μF,

并且電容器中點應與大地接通。C1~C4 的耐壓值均為 630VDC 或 250VAC。

圖 4-2.兩級復式 EMI 濾波器電路

兩級復式 EMI 濾波器電路效果比圖一效果更佳。

4.1.3 EMI 濾波器在開關電源中的應用為減小體積、降低成本,單片開關電源一

般采用簡易式單級 EMI 濾波器,典型電路圖 4-3 所示。圖(a)與圖(b)中的電

容器 C 能濾除串模干擾,區別僅是圖(a)將 C 接在輸入端,圖(b)則接到輸

出端。圖(c)、(d)所示電路較復雜,抑制干擾的效果更佳。圖(c)中的 L、

C1 和 C2 用來濾除共模干擾,C3 和 C4 濾除串模干擾。R 為泄放電阻,可將 C3

上積累的電荷泄放掉,避免因電荷積累而影響濾波特性;斷電后還能使電源的 進線端 L、N 不帶電,保證使用的安全性。圖(d)則是把共模干擾濾波電容 C3

和 C4 接在輸出端。


圖 4-3. EMI 濾波器典型應用

EMI 濾波器能有效抑制單片開關電源的電磁干擾。圖 4 中曲線 a 為加 EMI 濾波

器時開關電源上 0.15MHz~30MHz 傳導噪聲的波形(即電磁干擾峰值包絡線)。

曲線 b 是插入如圖 (3 d)所示 EMI 濾波器后的波形,能將電磁干擾衰減 50dBμV~

70dBμV。顯然,這種 EMI 濾波器的效果更佳。

4.1.4 直流 EMI 濾波器為了抑制開關電源對其電流負載產生共模、差模干擾,開 關電源直流輸出端往往使用直流EMI濾波器,它的典型電路如圖8所示。


圖8直流濾波電路

顯然,這是一個共模扼流圈的典型單環濾波電路。根據電路特點,它只適用于

直流輸出端對地對稱的電源電路。

如果直流輸出是非對地對稱電路,則只能采用圖9所示的電路。該電路為采用

二級差模電感電路。如果插入損耗允許,當然也可采用一級差模電感電路。

圖9二級 π 型濾波器

4.2 AC 電網常用 EMI 濾波器 4.2.1 差模濾波電路 由于開關電源的開關頻率諧波噪聲源阻抗為低阻抗,所以與之相對應的濾波器 輸出端應是高阻抗串聯大電感LDM。 AC電網火線和零線之間是低阻抗,所以與之對應的濾波器輸入端也應是高阻

抗串聯大電感LDM。如果想再進一步抑制差模噪聲,可以在濾波器輸入端并 接線間電容CX1,條件是它的阻抗要比AC電網火線、零線之間的阻抗還要

低得多。 開關電源工頻諧波噪聲源阻抗是高阻抗,所以與之相對應的濾波器輸出端應是

低阻抗并聯大電容CX2。

圖 1 共模濾波器模型


圖 2 完整的差模濾波器模型

4.2.2 組合濾波器電路電路

圖 3 組合濾波器電路 根據要求插入損耗,可求出濾波電路的LCM、LDM、Cx、Cy 的值。如果 單環電路的插入損耗不能滿足要求時,應該選擇雙環電路。

4.2.3 交流三相濾波電路 交流三相濾波電路又分為三相三線制和三相四線制兩種。 典型的單環三相三線制濾波電路如圖4所示;典型的雙環三相三線制濾波電路

如圖5所示。

圖 4 單環三相三線制濾波電路

圖 5 雙環三相三線制濾波電路 比較圖4三相中的每一相電路即每相對地電路和典型單相電路就不難發現,其

共模電路三相采用 π 型電路,單相采用L型電路;而差模電路三相的輸出端有

Cx 電容,單相的輸出端無Cx 電容。 對比雙環單相和三相三線制濾波電路(圖5)不難發現,三相中的每一相電路


和單相電路完全一樣。

典型單環有差模電感的三相三線制濾波電路如圖6所示。大家可以和單環有差

模電感的單相濾波電路相比較。

典型的單環三相四線制濾波電路如圖7所示。

圖6單環有差模電感三相三線制濾波電路

圖7單環三相四線制濾波電路 比較三相中的每一相電路即每相對中線電路和單相電路,同樣差模電路三相的

輸出端有Cx 電容。對地的共模電路三相采用 π 型電路,但區別的是Cy 電容對

每相來講是公用的。

4.3 選擇濾波器的注意點 2 明確工作頻率和所要抑制的干擾頻率,如兩者非常

接近,則需要應用頻率特性非常陡峭的濾波器,才能把兩種頻率分開;

2 保證濾波器在高壓情況下能夠可靠地工作;

2 濾波器連續通以最大額定電流時,其溫升要低,以保證在該額定電流連續工 作時,不破壞濾波器中元件的工作性能;

2 為使工作時的濾波器頻率特性與設計值相符合,要求與它連接的信號源阻抗 和負載阻抗的數值等于設計時的規定值:

2 濾波器必須具有屏蔽結構,屏蔽箱蓋和本體要有良好的電接觸,濾波器的電 容引線應盡量短,最好選用短引線低電感的穿心電容;

2 要有較高的工作可靠性,因為作防護電磁干擾用的濾波器,其故障往往比其 他元器件的故障更難找。

4.4 安裝濾波器的注意點 2 電源線路濾波器應安裝在離設備電源人口盡量靠近 的地方,不要讓未經過濾波器的電源線在設備框內迂回;

2 濾波器中的電容器引線應盡可能短,以免因引線感抗和容抗在較低頻率上諧 振;濾波器的接地導線上有很大的短路電流通過,會引起附加的電磁輻射,故 應對濾波器元件本身進行良好的屏蔽和接地處理;

2 濾波器的輸人和輸出線不能交叉,否則會因濾波器的輸入和輸出電容耦合通

路引起串擾,從而降低濾波特性,通常的辦法是輸入和輸出端之間加隔板或屏

蔽層。

2 濾波器的接地點應和設備機殼的接地點取得一致,并盡量縮短濾波器的接地

線。若接地點不在一處,那么濾波器的泄漏電流和噪聲電流在流經兩接地點的

途徑時,會將噪聲引入設備內的其他部分。其次,濾波器的接地線會引入感抗, 它能導致濾波器高頻衰減特性的變壞。金屬外殼的濾波器不能直接接地或使用

塑封外殼濾波器時,它與設備機殼的接地線應可能的短。


(a)不正確的安裝方法 (b)正確的安裝方法

2 濾波器要安裝在設備電源線輸入端,連線要盡量短;設備內部電源要安裝在 濾波器的輸出端。若濾波器在設備內的輸入線長了,在高頻端輸入線就會將引 入的傳導干擾耦合給其他部分。若設備內部電源安裝在濾波器的輸入端,由于

連線過長,也會導致同樣的結果。

2 確保濾波器輸入線和輸出線分離 若濾波器輸入、輸入線捆扎在一起或相互安裝過近,那么由于它們之間的耦合, 可能使濾波器的高頻衰減降低。若輸入、輸出線必須接近,那么都必須采用雙

絞線或屏蔽線。

2 要將噪聲濾波器正確地連接到設備內部的每一單元。 若帶有單獨電源的若干單元安裝在一個機殼內,那么必須把每一個單元視為設 備的獨立部分。每一單元必須連接各自的噪聲濾波器,否則在機殼內,這些單 元中的每一單元的噪聲都會傳導給其他單元。

4.5 EMI 濾波器的主要參數在用戶選擇濾波器時,最關心插入損耗性能。但是,

往往插入損耗相近的濾波器,在實際運用中效果相差甚遠。究其主要原因是,

相近插入損耗的濾波器可由不同的電路實現。這和理論分析是吻合的,因為插 入損耗本身是個多解函數。 所以,選擇濾波器時首先應選擇適合你所用的濾波電路和插入損耗性能。要做 到這一點,就要求了解所使用電源的等效噪聲源阻抗和所需要對噪聲的抑制能 力。 那么濾波電路和電源等效噪聲之間存在什么樣的關系呢? 眾所周知,EMI濾波器是由L、C構成的低通器件。為了在阻帶內獲得最大

衰減,濾波器輸入端和輸出端的阻抗需與之連接的噪聲源阻抗相反,即對低阻

抗噪聲源,濾波器需為高阻抗(大的串聯電感);對高阻抗噪聲源,濾波器就需 為低阻抗(大的并聯電容)。對于EMI濾波器,這些原則應用于共模和差模中。

如按此原則選用的濾波器,在實際運用中仍存在效果相差很多的現象,特別發 生在重載和滿載的情況下。造成這一問題的主要原因可能是濾波器中的電感器

件在重載和滿載時,產生飽和現象,致使電感量迅速下降,導致插入損耗性能


大大變壞。其中尤以有差模電感的濾波器為多。因差模電感要流過電源火線或

零線中的全部工作電流,如果差模電感設計不當,電流一大,就很容易飽和。

當然也不排除共模扼流圈,因生產工藝水平較差,兩個繞組不對稱,造成在重

載或滿載時產生磁飽和的可能。

五.新器件 5.1 穿心電容在實際工程中,要濾除的電磁噪聲頻率往往高達數百

MHz,甚至超過 1GHz。對這樣高頻的電磁噪聲必須使用穿心電容才能有效地濾

除。 普通電容之所以不能有效地濾除高頻噪聲,是因為兩個原因,一個原因是電容

引線電感造成電容諧振,對高頻信號呈現較大的阻抗,削弱了對高頻信號的旁

路作用;另一個原因是導線之間的寄生電容使高頻信號發生耦合,降低了濾波 效果。 穿心電容之所以能有效地濾除高頻噪聲,是因為穿心電容不僅沒有引線電感造 成電容諧振頻率過低的問題,而且穿心電容可以直接安裝在金屬面板上,利用

金屬面板起到高頻隔離的作用。但是在使用穿心電容時,要注意的問題是安裝

問題。穿心電容最大的弱點是怕高溫和溫度沖擊,這在將穿心電容往金屬面板 上焊接時造成很大困難。許多電容在焊接過程中發生損壞。特別是當需要將大 量的穿心電容安裝在面板上時,只要有一個損壞,就很難修復,因為在將損壞

的電容拆下時,會造成鄰近其它電容的損壞。

5.2 濾波陣列板隨著電子設備復雜程度的提高,設備內部強弱電混合安裝、數字 邏輯電路混合安裝的情況越來越多,電路模塊之間的相互騷擾成為嚴重的問題。 解決這種電路模塊相互騷擾的方法之一是用金屬隔離艙將不同性質的電路隔離

開。但是所有穿過隔離艙的導線要通過穿心電容,否則會造成隔離失效。當不 同電路模塊之間有大量的聯線時,在隔離艙上安裝大量的穿心電容是十分困難 的事情。使用濾波陣列板能夠輕而易舉地解決大量導線穿過金屬面板的問題,它 是用特殊工藝事先將穿心電容焊接在一塊金屬板構成的器件。

5.3 群脈沖濾波器針對重復頻率為幾千赫茲的快速瞬態群脈沖干擾.




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