劉 牮，劉 振

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

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開(kāi)關(guān)電源中傳導(dǎo)干擾的抑制措施

劉 牮，劉 振

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

傳導(dǎo)性電磁干擾是開(kāi)關(guān)電源的主要干擾源，國(guó)際電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電源產(chǎn)品EMC 指標(biāo)己成為開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)重要性能參數(shù)。文中從開(kāi)關(guān)電源的工作原理和元器件特性出發(fā)，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾機(jī)理進(jìn)行分析，研究抑制開(kāi)關(guān)電源中傳導(dǎo)干擾的措施。著重研究了濾波器的抑制措施，從實(shí)際應(yīng)用角度對(duì)濾波器中的電感、電容等元件的特性進(jìn)行了分析，給出了實(shí)用的濾波電路和元件參數(shù)。真空接觸器中開(kāi)關(guān)電源的電磁傳導(dǎo)干擾抑制的應(yīng)用結(jié)果表明，使用濾波器等抑制措施對(duì)電磁傳導(dǎo)干擾有很好的抑制效果。

開(kāi)關(guān)電源；傳導(dǎo)干擾；濾波器

LIU Jian, LIU Zhen

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾的能力。這其中包括兩個(gè)方面的含義，即設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁發(fā)射，不致影響其他設(shè)備或系統(tǒng)的功能；本設(shè)備或系統(tǒng)的抗干擾能力，又足以使其自身功能不受其他干擾的影響[1]。

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但由于開(kāi)關(guān)電源中包含開(kāi)關(guān)三極管、整流及續(xù)流二極管、功率變壓器,高壓、大電流的方波在高頻化的切換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓和電流諧波，將通過(guò)電源輸入和輸出線路及外殼向外形成傳導(dǎo)和輻射騷擾，影響其他設(shè)備的工作[2]。

電磁干擾(EMC)包括輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量通過(guò)開(kāi)關(guān)電源的輸入輸出線路傳播出去而形成的干擾稱之為傳導(dǎo)干擾；諧波和寄生振蕩的能量，會(huì)在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾影響附近的電子設(shè)備正常工作，這種通過(guò)電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。這些電磁場(chǎng)干擾從電磁騷擾的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)看，試驗(yàn)以30 MHz干擾頻率為界，>30 MHz的為輻射干擾，<30 MHz的為傳導(dǎo)干擾。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生干擾的頻率范圍較低(<30 MHz)，對(duì)于大多數(shù)小功率開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，其幾何尺寸也<30 MHz所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)10 m，干擾的方式主要是傳導(dǎo)干擾[3]。因此，研究電磁傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的原因及其解決方法對(duì)于抑制開(kāi)關(guān)電源中的電磁干擾具有重要的理論意義和使用價(jià)值。

1 開(kāi)關(guān)電源的電磁傳導(dǎo)干擾分析

1.1 差模干擾和共模干擾

傳導(dǎo)干擾分為差模干擾(DM)和共模干擾(CM)。差模，也稱為對(duì)稱模式或普通模式，差模干擾產(chǎn)生于信號(hào)線與信號(hào)地線之間，電流Idm流過(guò)這兩條導(dǎo)線，一進(jìn)一出，該干擾沒(méi)有電流流過(guò)接地部分。共模，產(chǎn)生于電纜線和大地之間形成的回路，電流Icm流經(jīng)L(N)和E[4]。差模和共模形成的電路回路如圖1和圖2所示。

圖1 差模

圖2 共模

圖中，L代表火線(或電網(wǎng)相線)；N代表中性線；E代表安全地或簡(jiǎn)稱為地線。差模干擾和共模干擾中的電流方向并無(wú)特殊規(guī)定，也可以反向流動(dòng)。差模干擾中的電流從L(或N)導(dǎo)線流入，從另一條導(dǎo)線流出。共模中的電流從輸入側(cè)經(jīng)L(或N)流向輸出側(cè)，然后再經(jīng)過(guò)E流到輸入側(cè)，形成一個(gè)共模電流回路。

1.2 共模干擾和差模干擾產(chǎn)生原因

開(kāi)關(guān)電源首先將工頻交流整流為直流,再逆變?yōu)楦哳l,最后經(jīng)過(guò)整流濾波電路輸出,得到穩(wěn)定的直流電壓,因此自身含有大量的諧波干擾。同時(shí),由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰,都形成了潛在的電磁干擾。

1.2.1 差模噪聲的主要來(lái)源

開(kāi)關(guān)電源中的輸入電容除了承受從電源線流入的工作電流以外，還要提供開(kāi)關(guān)管所需的高頻脈沖電流。由于實(shí)際的電源輸入大電容并非理想的電容，即等效串聯(lián)電阻(ESR)非零，電流流經(jīng)電阻必然產(chǎn)生壓降，所以在電源輸入的情況下輸入電容兩端會(huì)出現(xiàn)高頻電壓紋波，在L和N兩相之間形成差模干擾。

1.2.2 共模噪聲的主要來(lái)源

開(kāi)關(guān)電源的機(jī)殼是需要接地的，高頻電流流入機(jī)殼就會(huì)產(chǎn)生共模干擾，同時(shí)高頻電流流入機(jī)殼有許多偶然的路徑。一方面,散熱片與開(kāi)關(guān)管的集電極間的絕緣片,由于其接觸面積較大,絕緣片較薄,因此兩者間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略,高頻電流會(huì)通過(guò)分布電容流到散熱片上,再流到機(jī)殼地,產(chǎn)生共模干擾;另一方面,脈沖變壓器的初次級(jí)之間存在著分布電容,可將原邊電壓直接耦合到副邊上,在副邊側(cè)直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾[5]。

2 開(kāi)關(guān)電源中抑制干擾的措施

形成電磁干擾的3要素是干擾源、耦合途徑和敏感設(shè)備[6]。因而,抑制電磁干擾也應(yīng)該從這3個(gè)方面考慮。干擾源有時(shí)是客觀存在的，這和開(kāi)關(guān)電源所處的環(huán)境有關(guān)。如果開(kāi)關(guān)電源的工作環(huán)境存在較大的干擾源，應(yīng)著重考慮從其他兩個(gè)方面進(jìn)行電磁干擾的抑制，同時(shí)開(kāi)關(guān)電源本身也是個(gè)較大的干擾源。開(kāi)關(guān)電源作為受電磁干擾的敏感設(shè)備，在設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源的原理圖和PCB板時(shí)就要考慮如何抑制電磁干擾。切斷電磁干擾和開(kāi)關(guān)電源之間的耦合途徑是抑制干擾的一種行之有效的辦法。常用的方法有屏蔽、接地和濾波[7]。屏蔽是將產(chǎn)品或局部用金屬體包起來(lái)，可以抑制電磁波從空間輻射出去或者輻射進(jìn)來(lái)，起到了降低產(chǎn)品的對(duì)外輻射，提高了產(chǎn)品抗外部輻射干擾的能力；接地的主要目的是在產(chǎn)品內(nèi)部形成一個(gè)低阻抗回路以及等電位的連接，這樣可以抑制前文介紹的共模干擾，從而提高產(chǎn)品的電磁兼容性；濾波可以把有用信號(hào)頻譜以外的干擾信號(hào)能量加以抑制，它既可以抑制對(duì)外的干擾，也能夠抑制外部干擾信號(hào)對(duì)產(chǎn)品的影響。濾波是電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)電磁兼容的主要手段。

3 濾波器設(shè)計(jì)及器件的選用

3.1 濾波器電路結(jié)構(gòu)

針對(duì)開(kāi)關(guān)電源的差模干擾，設(shè)計(jì)中所用的差模濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 差模濾波器

差模濾波器中的Ldm1和Ldm2稱為差模扼流線圈，線圈的固有特性是用電感量L表示的。電感阻抗XL=jωL,所以在低頻率下線圈為低阻抗 ，在高頻率下為高阻抗。開(kāi)關(guān)電源中線圈是工作在高頻環(huán)境下的，所以利用線圈在高頻時(shí)的高阻抗來(lái)衰減差模信號(hào)。

差模濾波器中的電容C1、C2稱為X電容，設(shè)計(jì)中利用了電容的低頻率高阻抗，高頻率低阻抗的特性，在高頻時(shí)電容的低阻抗可以短路掉差模干擾，達(dá)到抑制開(kāi)關(guān)電源中差模干擾的產(chǎn)生目的。針對(duì)開(kāi)關(guān)電源中的共模干擾，設(shè)計(jì)中所用的共模濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 共模濾波器

共模濾波器中的Lcm1和Lcm2組成一個(gè)共模扼流線圈，共模線圈和差模線圈同樣利用了電感的高頻率高阻抗特性，不同的是共模線圈由兩個(gè)線圈繞在同一鐵芯上，匝數(shù)和相位都相同，但繞制反向。因此，當(dāng)電路中的正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，電流在同相位繞制的電感線圈中產(chǎn)生反向的磁場(chǎng)而相互抵消，此時(shí)正常信號(hào)電流主要受線圈電阻以及少量因漏感造成的阻尼影響；當(dāng)有共模電流流經(jīng)線圈時(shí)，由于共模電流的同向性，會(huì)在線圈內(nèi)產(chǎn)生同向的磁場(chǎng)而增大線圈感抗，使線圈表現(xiàn)為高阻抗，產(chǎn)生較強(qiáng)的阻尼效果，以此衰減共模電流，達(dá)到濾波的目的[8]。

共模濾波器中的電容C1、C2、C3、C4稱為Y電容，設(shè)計(jì)中利用了電容的低頻率高阻抗，高頻率低阻抗的特性。不同的是，差模濾波中的電容是對(duì)線路中的兩極短路，共模濾波中的電容是對(duì)線和地短路。

把上述濾波器組合成一個(gè)差模共模組合濾波器，如圖5所示。將差模共模組合濾波器與開(kāi)關(guān)電源的輸入端并聯(lián)，達(dá)到抑制開(kāi)關(guān)電源中傳導(dǎo)干擾的目的。

圖5 差模共模組合濾波器

3.2 濾波器分立元件的選用

在實(shí)際的濾波器應(yīng)用中，即使選擇了正確的濾波電路結(jié)構(gòu)，也不意味著能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器，實(shí)際線圈和電容的選擇是濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的一個(gè)方面。

線圈的繞制應(yīng)盡量采取單層繞制的方法，采用多層并繞的方法會(huì)增加繞組跨繞線電容，降低自諧振頻率，從而減小噪聲抑制比，影響濾波器性能。必須使用多層繞制時(shí)也要采用分段繞制，如圖6所示，這樣可以影響濾波器性能。需要多層繞制時(shí)也要采用分段繞制，這樣可以同樣減少繞線間的分布電容[9]，分段繞線示意圖如圖6所示。

圖6 線圈繞制示意圖

交流輸入電流產(chǎn)生的磁通會(huì)在共模扼流圈兩組對(duì)稱的繞組中相互抵消，因而共模扼流圈中不存在磁芯飽和的問(wèn)題。在差模扼流圈中，當(dāng)通過(guò)差模電感的電流過(guò)大時(shí),會(huì)產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象,電感量亦會(huì)隨之下降而失去濾波作用。為避免磁芯因飽和而失去濾波作用,要求差模磁芯具有較高的磁飽和密度和較好的電感量保持能力,同時(shí)本身也不產(chǎn)生較大的磁損耗。

差模和共模濾波器中所使用的X電容和Y電容都是安規(guī)電容，X電容是指跨接在輸入線兩端之間的電容器，它適用于當(dāng)該電容失效時(shí)不會(huì)導(dǎo)致電擊、不危及人身安全場(chǎng)合；Y電容是指跨接于火線和地線(L-G) 之間以及在零線和地線(N-G) 之間的電容器，它適用于電容失效時(shí)會(huì)導(dǎo)致電擊、危及人身安全的場(chǎng)合。

在開(kāi)關(guān)電源中使用的X電容分為X1電容和X2電容，它們的主要差別為：X1電容耐高壓>2.5 kV，≤4 kV；X2電容耐高壓≤2.5 kV。開(kāi)關(guān)電源中的Y電容可分為Y1電容、Y2電容和Y4電容，主要差別如下：Y1電容耐高壓>8 kV；Y2電容耐高壓>5 kV,<8 kV；Y4電容耐高壓>2.5 kV ,<5 kV[10]。

在抑制電磁干擾時(shí)，電容的作用是將干擾旁路掉，選用的電容對(duì)干擾信號(hào)具有很低的阻抗。共模電容不僅制約著濾波器的共模濾波性能,而且對(duì)于人身安全也至關(guān)重要。由于接觸電流的限制，Y電容的總電容值必須受到限制不能過(guò)大，Y電容容值一般被控制在≤0.1 μF的范圍以內(nèi)，如果為了更好地抑制產(chǎn)品的傳導(dǎo)騷擾，選用的Y電容總?cè)葜狄话愣疾怀^(guò)4 700 pF。根據(jù)實(shí)際需要，X電容的容值允許比Y電容的容值大，X電容的典型容值是零點(diǎn)幾至1 μF。

4 實(shí)際應(yīng)用

將上述濾波器應(yīng)用到真空接觸器的開(kāi)關(guān)電源中，其開(kāi)關(guān)電源電路如圖7所示。該電路的輸入電源為一個(gè)寬輸入電壓，電壓范圍是AC250～500 。該電源電路采用降壓型(BUCK)的LNK302離線式開(kāi)關(guān)芯片，提供系統(tǒng)級(jí)的過(guò)熱、輸出短路及控制環(huán)開(kāi)路保護(hù)。LNK302離線式開(kāi)關(guān)芯片的頻率調(diào)制技術(shù)大幅降低了EMI,這樣大幅增加了開(kāi)關(guān)電源的抗電磁干擾性。

圖7 用于真空接觸器的開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源的輸入端加入濾波器,參數(shù)為L(zhǎng)dm=100 μH，Cx=0.1 μH，Lcm=15 mH,Cy= 4.7 nF，同時(shí)差模和共模扼流圈允許通過(guò)5 A 的電流。輸入濾波器具有互易性能，既可以抑制電源傳入開(kāi)關(guān)電源的干擾，也可以抑制開(kāi)關(guān)電源反向串入電源的干擾[11]。真空接觸器屬于低壓電器產(chǎn)品，在電磁騷擾發(fā)射的測(cè)試中屬于B類環(huán)境的設(shè)備。圖8是開(kāi)關(guān)電源中加入輸入濾波器的傳導(dǎo)騷擾測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，從圖中可以看出開(kāi)關(guān)電源中輸入濾波器的加入較好地消減了開(kāi)關(guān)電源的電磁傳導(dǎo)干擾。

圖8 傳導(dǎo)騷擾測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從開(kāi)關(guān)電源中傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生的原因入手，討論了抑制開(kāi)關(guān)電源中傳導(dǎo)干擾的有效措施，分析了EMI濾波器的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)濾波器中的線圈和電容的選用進(jìn)行了總結(jié)。通過(guò)真空接觸器開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用測(cè)試表明，本文討論的抑制電磁傳導(dǎo)干擾的措施是有效的，保證了開(kāi)關(guān)電源的安全性和可靠性。

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Suppression of Conductive Interference in Switch Mode Power Supply

Conductive electromagnetic interference is the main interference source of switching power supply, and the parameter of the power products from the international EMC rules has become one of the most critical parameters of the power supply. Based on the principles of the switching power supply and the characteristics of the components, the electromagnetic interference mechanism of the switching power supply is analyzed, and the measures to restrain the conduction interference in the switching power supply are studied. In this paper, the suppression measures of the filter are studied, and the properties of filter elements (capacitors and inductors) are analyzed. The application results of EMI suppression of the switching power supply in vacuum contactor indicate that the filter and other suppression methods have a good effect on electromagnetic interference.

switch mode power; conductive interference; filter

2015- 12- 29

劉牮(1961-),男，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制。劉振(1989-),男，碩士研究生。研究方向：開(kāi)關(guān)電源。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.10.009

TN03；TM86

A

1007-7820(2016)10-029-04