论文部分内容阅读
摘 要：开关电源产生的干扰，按噪声干扰源种类来分，可分为尖峰干扰和谐波干扰两种；若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰两种。本文在详细分析电子干扰的基础上，设计了一种滤磁电路，滤除噪声的效果佳，可以有效解决某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态脉冲干扰问题。
关键词：滤磁；电路；设计
电磁干扰的产生机理
现在按噪声干扰源来分别说明二极管的反向恢复时间引起的干扰高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化。
（1）开关管工作时产生的谐波干扰：
功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。
（2）交流输入回路产生的干扰：
无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡，产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
抑制干扰的几种措施：形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干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。
本次设计采用的抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道。使用的方法是屏蔽、接地和滤波。
① 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰，解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，切断了射频扰向输入电网传播的途径。
② 电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如，静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地，但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应，所以仍以接地为好，这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连，可为信号回路提供稳定的参考电位。因此，系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后，最终都与大地相连。
在电路系统设计中遵循“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，当磁力线穿过该回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（底板或多层印制板电路的导电平面层等）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。
滤除电磁干扰电路设计
1.构造原理
电源噪声是电磁干扰（EMI）的一种，它属于射频干扰（RFI），其传导噪声的频谱大致分为10kHz～30MHz，最高可达15MHz。根据传播的方向不同，电源噪声可分为两大类：一类是从电源进线引进的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经由电源线傳导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。若从形成特点上看，噪声干扰分串模干扰和共模干扰两种。串模干扰时两条电源线之间（简称线对线）的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。因此，电源干扰滤波器应符合电磁兼容性（EMC）的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出的噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。
基本电路及应用
电磁干扰滤波器的基本电路如下图所示，该五端器件有两个输入端，两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1-C4 。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的的磁通方向相同，经过耦合后总电感两迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。当有共模电流通过时，两个线圈上产生的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，参见表。需要指出，当额定电流较大时，共模厄流的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可以改善低频衰减特性。C1 和C2 采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01Uf-0.47uF，主要用来滤除除串模干扰。C3 和 C4 跨接在输出端，并将电容器的中点接通大地，能有效抑制共模干扰。 C3 和 C4的容量范围是2200pF-0.1uF.为减小漏电流，电容量不宜超过0.1Uf。 C1-C4的耐压值均为630VDC或250VAC.
其中电感选择时，其与额定电流的关系如下表所示：
图2所示的是一种两级复合式EMI滤波器的内部电路，由于采用两级（亦称两节）滤波，因此滤除噪声的效果更佳，针对某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态脉冲干扰的问题，最近国内外还开发出群脉冲滤波器（亦称群脉冲对抗器），能对上述干扰起到抑制作用。
参考文献
[1] 梁安平.开关电源抗电磁干扰的研究与分析[J].电气开关. 2009（01） ：35.
[2] 宋福根. 高频开关电源有源EMI滤波器应用研究[J].电工电气. 2009（04） ：90-91.
[3] 王金霞，杨庆江，王金凤.开关电源EMI滤波器的设计[J].煤炭技术. 2009（05） ：37-39.
作者简介：李梅，（1996.02），湖北省黄冈市人，电气工程及其自动化专业。
关键词：滤磁；电路；设计
电磁干扰的产生机理
现在按噪声干扰源来分别说明二极管的反向恢复时间引起的干扰高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化。
（1）开关管工作时产生的谐波干扰：
功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流。输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。
（2）交流输入回路产生的干扰：
无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡，产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场。这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
抑制干扰的几种措施：形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰也应该从这三方面着手。首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干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。
本次设计采用的抑制干扰的几种措施基本上都是用切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道。使用的方法是屏蔽、接地和滤波。
① 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热往往需要安装散热器或直接安装在电源底板上。器件安装时需要导热性能好的绝缘片进行绝缘，这就使器件与底板和散热器之间产生了分布电容，开关电源的底板是交流电源的地线，因而通过器件与底板之间的分布电容将电磁干扰耦合到交流输入端产生共模干扰，解决这个问题的办法是采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，切断了射频扰向输入电网传播的途径。
② 电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。例如，静电屏蔽层接地可以抑制变化电场的干扰；电磁屏蔽用的导体原则上可以不接地，但不接地的屏蔽导体时常增强静电耦合而产生所谓“负静电屏蔽”效应，所以仍以接地为好，这样使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用。电路的公共参考点与大地相连，可为信号回路提供稳定的参考电位。因此，系统中的安全保护地线、屏蔽接地线和公共参考地线各自形成接地母线后，最终都与大地相连。
在电路系统设计中遵循“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，当磁力线穿过该回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（底板或多层印制板电路的导电平面层等）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。
滤除电磁干扰电路设计
1.构造原理
电源噪声是电磁干扰（EMI）的一种，它属于射频干扰（RFI），其传导噪声的频谱大致分为10kHz～30MHz，最高可达15MHz。根据传播的方向不同，电源噪声可分为两大类：一类是从电源进线引进的外界干扰，另一类是由电子设备产生并经由电源线傳导出去的噪声。这表明噪声属于双向干扰信号，电子设备既是噪声干扰的对象，又是一个噪声源。若从形成特点上看，噪声干扰分串模干扰和共模干扰两种。串模干扰时两条电源线之间（简称线对线）的噪声，共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。因此，电源干扰滤波器应符合电磁兼容性（EMC）的要求，也必须是双向射频滤波器，一方面要滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出的噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，电磁干扰滤波器应对串模、共模干扰都起到抑制作用。
基本电路及应用
电磁干扰滤波器的基本电路如下图所示，该五端器件有两个输入端，两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1-C4 。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的的磁通方向相同，经过耦合后总电感两迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上。当有共模电流通过时，两个线圈上产生的磁场就会互相加强。L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关，参见表。需要指出，当额定电流较大时，共模厄流的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可以改善低频衰减特性。C1 和C2 采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01Uf-0.47uF，主要用来滤除除串模干扰。C3 和 C4 跨接在输出端，并将电容器的中点接通大地，能有效抑制共模干扰。 C3 和 C4的容量范围是2200pF-0.1uF.为减小漏电流，电容量不宜超过0.1Uf。 C1-C4的耐压值均为630VDC或250VAC.
其中电感选择时，其与额定电流的关系如下表所示：
图2所示的是一种两级复合式EMI滤波器的内部电路，由于采用两级（亦称两节）滤波，因此滤除噪声的效果更佳，针对某些用户现场存在重复频率为几千赫兹的快速瞬态脉冲干扰的问题，最近国内外还开发出群脉冲滤波器（亦称群脉冲对抗器），能对上述干扰起到抑制作用。
参考文献
[1] 梁安平.开关电源抗电磁干扰的研究与分析[J].电气开关. 2009（01） ：35.
[2] 宋福根. 高频开关电源有源EMI滤波器应用研究[J].电工电气. 2009（04） ：90-91.
[3] 王金霞，杨庆江，王金凤.开关电源EMI滤波器的设计[J].煤炭技术. 2009（05） ：37-39.
作者简介：李梅，（1996.02），湖北省黄冈市人，电气工程及其自动化专业。