《電子技術(shù)應(yīng)用》
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開關(guān)電源的抗干擾問題
摘要: 摘要:在敘述電磁兼容的定義及其試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上介紹抑制電磁干擾的一般方法及其存在的問題。最后介紹新型抗電磁干擾器件—FTS系列群脈沖對(duì)抗器與LSA系列雷擊浪涌吸收器的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:電磁干擾電磁兼容電磁兼
Abstract:
Key words :

摘要:在敘述電磁兼容" title="電磁兼容">電磁兼容的定義及其試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上介紹抑制電磁干擾的一般方法及其存在的問題。最后介紹新型抗電磁干擾器件—FTS系列群脈沖對(duì)抗器與LSA系列雷擊浪涌" title="浪涌">浪涌吸收器" title="吸收器">吸收器的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:電磁干擾電磁兼容電磁兼容試驗(yàn)新型抗電磁干擾器件

Problems on Anti Jamming of Switching Power Supply

Abstract: On the basis of definition and experimental method of electromagnetic compatibility,general way and problem of anti jamming were introduced.At the same time,the characteristices of some new type anti jamming devices,FTS series of pulse antagonismers and LSA series of lightning surge absorbers,were presented.

Keywords: Electromagnetic jamming, Electromagnetic compatibility, Electromagnetic compatibility test, New type anti jamming devices

中圖法分類號(hào):TN97文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):02192713(2000)0837305

1引言

電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。隨著電子產(chǎn)品越來越多地采用低功耗、高速度、高集成度的LSI電路而使得這些裝置比以往任何時(shí)候更容易受到電磁干擾的威脅。而與此同時(shí),大功率家電及辦公自動(dòng)化設(shè)備的增多,以及移動(dòng)通訊、無線尋呼的廣泛應(yīng)用等,又大大增加了電磁騷擾的發(fā)生源。這些變化迫使人們把電磁兼容作為重要的技術(shù)問題加以關(guān)注。特別是歐共體將產(chǎn)品的電磁兼容性要求納入技術(shù)法規(guī),強(qiáng)制執(zhí)行89/336/EEC指令,即規(guī)定從1996年1月1日起電氣和電子產(chǎn)品都必須符合EMC要求,并加貼CE標(biāo)志后才能在歐共體市場上銷售以來,促進(jìn)各國政府從國際貿(mào)易的角度,高度重視電磁兼容技術(shù)。

  為了適應(yīng)國際商貿(mào)與技術(shù)發(fā)展的要求,國家技術(shù)監(jiān)督局也準(zhǔn)備對(duì)聲音和電視廣播設(shè)備、信息技術(shù)設(shè)備、家用和電熱、電動(dòng)工具、電源、照明電器、火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置、金融及貿(mào)易結(jié)算電子設(shè)備、安保電子產(chǎn)品、低壓電器等10大類進(jìn)行強(qiáng)制性EMC認(rèn)證。凡不符合EMC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品,有關(guān)部門將有權(quán)對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)和銷售商追究責(zé)任。國家出入境檢驗(yàn)檢疫局和對(duì)外貿(mào)易經(jīng)濟(jì)合作部則在1998年12月聯(lián)合發(fā)出了“關(guān)于對(duì)6種進(jìn)口商品實(shí)施電磁兼容強(qiáng)制檢測的通知”,規(guī)定對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)、開關(guān)電源、電視機(jī)和音響設(shè)備等6種進(jìn)口商品自1999年1月起實(shí)施EMC強(qiáng)制檢測,這標(biāo)志著電氣和電子產(chǎn)品的電磁兼容性能已開始成為我國商品進(jìn)出口檢驗(yàn)中的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

所謂電磁兼容(ElectromagneticCompatibility)是指設(shè)備(分系統(tǒng)、系統(tǒng))在共同的電磁環(huán)境中能一起執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)。這里包含兩層意思:即它工作中產(chǎn)生的電磁發(fā)射要限制在一定水平內(nèi);另外,它本身要有一定的抗干擾能力。這便是設(shè)備研制中所必須解決的兼容問題。

2EMC試驗(yàn)

以往人們比較重視電磁發(fā)射的測試及抑制技術(shù),以保護(hù)通訊、廣播系統(tǒng)或其它裝置不受干擾。近來,電磁敏感度的測試和對(duì)策技術(shù)已成為EMC領(lǐng)域中的熱點(diǎn),各行業(yè)也紛紛在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中加入了抗干擾性能的規(guī)定。例如電力系統(tǒng)中對(duì)多功能電度表、用戶集中抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)終端繼電保護(hù)裝置,都提出了抗干擾的要求。

電力工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)DL/T614《多功能電能表》中規(guī)定了以下幾種抗干擾測試要求:

(1)靜電放電抗擾度試驗(yàn)

按IEC61000-4-2中規(guī)定,并在下列條件下進(jìn)行:

接觸放電;

嚴(yán)酷等級(jí):4;

試驗(yàn)電壓:8kV;

放電次數(shù):10。

靜電放電作用后,儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的改變,并能正常工作,計(jì)度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X(kW·h)的變化,測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X(kW·h)的脈沖信號(hào)量。X的計(jì)算公式如下:

X=mUnImax×10-4(1)

式中m——測量單元數(shù);

Un——參比電壓V;

Imax——最大電流,A。

(2)高頻電磁場抗擾度試驗(yàn)

按IEC61000-4-3中規(guī)定,并在下述條件下進(jìn)行:

電壓和輔助線路加參比電壓;

頻率范圍:(80~100)MHz;

嚴(yán)酷等級(jí):3;

試驗(yàn)場強(qiáng):10V/m。

在高頻電磁場的作用下,儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的改變,并能正常工作,計(jì)度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X(kW·h)的變化。測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X(kW·h)的脈沖信號(hào)量。X的計(jì)算公式同式(1)。

在負(fù)載電流Ib、功率因數(shù)cosφ為1、處于敏感頻率或主振頻率點(diǎn)的條件下,誤差改變量應(yīng)在表1規(guī)定

極限內(nèi)(此條只對(duì)電子式多功能電能表進(jìn)行)。AAAA

表1高頻電磁場影響

 

負(fù)載電流 功率因數(shù) 對(duì)應(yīng)等級(jí)的誤差改變量極限(%)
0.2 0.5 1 2 3
Ib cosφ=1.0 1.0 2.0 2.0 3.0 3.0

 

(3)電快速瞬變" title="瞬變">瞬變脈沖群試驗(yàn)

按照IEC61000-4-4中規(guī)定,并在下述條件下進(jìn)行:

試驗(yàn)電壓應(yīng)以共模" title="共模">共模方式施加;

嚴(yán)酷度等級(jí):4;

試驗(yàn)電壓:4kV;

試驗(yàn)時(shí)間:60s。

在脈沖群作用下,儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的改變,并能正常工作,計(jì)度器不應(yīng)產(chǎn)生大于X(kW·h)的變化,測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X(kW·h)脈沖信號(hào)量。X的計(jì)算公式同式(1)。

(4)浪涌試驗(yàn)

按IEC61000-4-5中規(guī)定,并在下述條件下進(jìn)行:

嚴(yán)酷等級(jí):4;

試驗(yàn)電壓:4kV;

波形:1.2/50μs;

極性:正/負(fù);

試驗(yàn)次數(shù):正、負(fù)極性各5次;

重得率:1分鐘1次。

在浪涌的作用下,儀表不應(yīng)出現(xiàn)損壞或信息的變化,并能正常工作,計(jì)度器不應(yīng)該產(chǎn)生大于X(kW·h)的變化,測試輸出也不應(yīng)產(chǎn)生大于X(kW·h)的脈沖信號(hào)量。X的計(jì)算公式同式(1)

(5)無線電干擾試驗(yàn)

當(dāng)頻率在(0.15~3)MHz范圍內(nèi),傳導(dǎo)干擾電壓允許值見表2。

表2傳導(dǎo)干擾電壓允許值

 

頻段(MHz) 允許值dB(μV/m)
峰值 平均值
0.15~0.50 66~56 56~46
0.50~5 56 46
5~30 60 50

 

當(dāng)頻率在(30~1000)MHz范圍內(nèi)測量距離為10m的輻射干擾允許值見表3。

表3輻射干擾允許值

 

頻段(MHz) 允許值dB(μV/m)
30~230 30
230~1000 37

 

(6)外磁場影響試驗(yàn)

在正常工作狀態(tài)下,加以與多功能電能表參比電壓相同頻率、隨時(shí)間正弦變化、強(qiáng)度為0.5mT(400A/m)的外磁場,且在最不利的方向和相位的情況下進(jìn)行,試驗(yàn)中程序不應(yīng)紊亂,內(nèi)存數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失,誤差改變量應(yīng)符合各有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(7)諧波影響

分別將含有10%的3次、5次諧波干擾源施加在多功能電能表電壓線路,需測示值誤差的改變量應(yīng)不超過0.2%,程序不應(yīng)紊亂,內(nèi)存數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失。

雖然國家技術(shù)監(jiān)督局對(duì)電源產(chǎn)品并未要求進(jìn)行抗干擾方面的測試,但是由于各種干擾往往會(huì)通過電源傳輸給電子設(shè)備,從而對(duì)這些設(shè)備造成危害。開關(guān)電源的生產(chǎn)廠家應(yīng)對(duì)抗干擾問題引起足夠的重視。具有良好抗干擾設(shè)計(jì)的電源,能使用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中無需考慮由電源引起的抗干擾問題,大大加快用戶的產(chǎn)品開發(fā)周期和節(jié)約開發(fā)成本。

3干擾的方式與類型

電源干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干擾是指電源對(duì)大地,或中線對(duì)大地之間的電位差。有時(shí)也稱為縱橫干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾,這是載流導(dǎo)體與大地之間的電位差。

“差模”干擾存在于電源相線與中線之間,對(duì)于三

相電路來說,還存在于相線與相線之間。有時(shí)也稱為常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。

兩種干擾模式的區(qū)別是十分重要的,因?yàn)閷?duì)共模干擾是不能用差模的方式來解決的,反之亦然。

干擾類型可以從持續(xù)期很短的尖峰干擾到完全失電之間進(jìn)行變化。其中也包括電壓變化(如電壓的跌落、浪涌與中斷)、頻率變化、波形失真(電壓的或電流的)、持續(xù)噪聲或雜波,以及瞬變等。

表4電源干擾的類型

 

序號(hào) 干擾的類型 典型的起因
1 跌落 雷擊;重載接通;電網(wǎng)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(fā)電機(jī)不穩(wěn)定;區(qū)域性電網(wǎng)故障
4 電氣噪聲 雷達(dá);無線電訊號(hào);電力公司和工業(yè)設(shè)備的飛??;轉(zhuǎn)換器和逆變器
5 浪涌 突然減輕負(fù)載;變壓器的抽頭不恰當(dāng)
6 諧波失真 整流;開關(guān)負(fù)載;開關(guān)型電源;調(diào)速驅(qū)動(dòng)
7 瞬變 雷擊;電源線負(fù)載設(shè)備的切換;功率因素補(bǔ)償電容的切換;空載電動(dòng)機(jī)的斷開

 

表4中的幾種干擾,能夠通過電源進(jìn)行傳輸并造成設(shè)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(shè)備本身不產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象,就不會(huì)造成由電源引起的對(duì)用電設(shè)備的影響。

良好的電源設(shè)計(jì)應(yīng)使電源在較惡劣的電磁環(huán)境中本身能正常工作,同時(shí)應(yīng)對(duì)電源線中的各種脈沖干擾有較好的抑制作用。

4抑制干擾的方法

一般的干擾抑制方法有以下幾種:

 

圖1典型的電源線路濾波器

(1)在電源的輸入端加入線路濾波器。如圖1所示。其中L1和L2的線圈同方向繞在同一磁芯上,這兩個(gè)電感對(duì)于差模電流和主電流所產(chǎn)生的磁通是互相抵銷的,因此不會(huì)引起磁芯的飽和。而對(duì)于共模電流則可以反映為很大的電感,以便獲得最大的濾波效果,所以又稱為共模電感。

CX電容被用來衰減差模干擾,CY電容用于衰減共模干擾。R用于消除可能在濾波器中出現(xiàn)的靜電積累。

電源濾波器主要用于抑制30MHz以下頻率范圍的噪聲,而對(duì)于脈沖干擾,其諧波頻率往往高達(dá)上百兆赫,實(shí)際使用下來其效果往往并不明顯。例如某研究機(jī)構(gòu)對(duì)20種電源濾波器的抑制浪涌波的能力進(jìn)行了測試,超過20dB的僅有4種,甚至有的會(huì)在輸出端產(chǎn)生振蕩。

(2)采用帶屏蔽層" title="屏蔽層">屏蔽層的變壓器

由于共模干擾是一種相對(duì)大地的干擾,所以它主要通過變壓器繞組間的耦合電容來傳遞。如果在初、次級(jí)之間插入屏蔽層,并使之良好接地,便能使干擾電壓通過屏蔽層旁路掉,從而減小輸出端的干擾電壓。屏蔽層對(duì)變壓器的能量傳輸并無不良影響,但影響了繞組間的耦合電容。圖2畫出了帶屏蔽層的隔離變壓器的共模干擾通路。從圖2中可以看到要使共模衰減量大,只要變壓器屏蔽層接地阻抗小,便能奏效。理論上帶屏蔽層的變壓器能使衰減量達(dá)到60dB左右。但實(shí)際使用后可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于尖峰干擾有抑制,其效果也不十分明顯。

圖2帶屏蔽層的變壓器

C1:初級(jí)繞組與屏蔽層之間的分布電容C2:次級(jí)繞組與屏蔽層之間的分布電容

ZE:屏蔽層接地阻抗Z2:負(fù)載對(duì)地阻抗

e1:初級(jí)干擾(共模型)電壓e2:次級(jí)干擾(共模型)電壓

(3)壓敏電阻、氣體放電管、TVS管、固體放電管等吸波器件。這類器件都有共同的特點(diǎn),即在閾值電壓以下呈現(xiàn)高阻抗,而一旦超過閾值電壓,則阻抗便急劇下降,因此對(duì)尖峰電壓都有一定的抑制作用,但也有各自的局限性,例如氣體放電管的響應(yīng)速度較慢,壓敏電阻的電流吸收能力又不夠大,TVS管和固體放電管的閾值電壓一般僅為300V~400V。

5FTS系列群脈沖對(duì)抗器及LSA系列雷擊浪涌吸收器

上海三基公司設(shè)計(jì)的FTS群脈沖對(duì)抗器系列與

LSA雷擊浪涌吸收器系列,就具有高速的響應(yīng)級(jí)別、高的耐壓和更強(qiáng)的浪涌吸收電流。

圖3試驗(yàn)接線圖

(a)未插入FTS(b)插入FTS

圖4未插入FTS時(shí)測得的波形

(a)A處波形(b)B處波形

圖5插入FTS后測得的波形

(a)A處波形(b)B處波形

FTS系列群脈沖干擾對(duì)抗器是根據(jù)用戶反映電子產(chǎn)品難于通過IEC61000-4-4標(biāo)準(zhǔn)(關(guān)于電快速瞬態(tài)脈沖干擾的標(biāo)準(zhǔn))而研制的一種新型抗干擾器件。

電快速瞬變脈沖是一種上升沿為5ns,半坡寬50ns,重復(fù)頻率為2.5kHz或5kHz的脈沖群,其諧波頻率可達(dá)100MHz,而普通電源濾波器無法起到抑制作用。

普通電源濾波器是由一些無損耗電抗元件構(gòu)成的,能阻止頻帶以外的其它信號(hào)通過,并把它反射到信號(hào)源。因此當(dāng)阻抗不匹配時(shí),一部分有用信號(hào)將被反射,重新返回信號(hào)源,這樣反而導(dǎo)致干擾電平的增加而不是減小。而群脈沖干擾對(duì)抗器則克服了電源濾波器的上述缺點(diǎn),采用了吸收與反射相結(jié)合的原理。

吸收部分采用從日本定制的專用鐵氧體材料以及美國PROTEK公司生產(chǎn)的新型半導(dǎo)體削波器件組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。鐵氧體由于其自身特點(diǎn),對(duì)直流或低頻信號(hào)幾乎沒有功率損耗,而對(duì)于1MHz以上的高頻噪聲則有很強(qiáng)的吸收作用,并將這些能量以熱的形式釋放,而不是反射回信號(hào)源,也不是輻射出去。在用于群脈沖對(duì)抗器的鐵氧體材料的定制中,我們要求有很大的飽和磁通密度,并且單位體積損耗與飽和磁通密度之比要足夠高,從而使得該器件在體積足夠小的情況下能對(duì)干擾起到較強(qiáng)的抑制作用。半導(dǎo)體器件吸收部分,我們采用PROTEK公司的吸收器件,它具有極高的響應(yīng)速度,實(shí)測值響應(yīng)時(shí)間小于1ns。

反射部分,F(xiàn)TS系列分別采用TDK高飽和磁通密度的材料作為共軛線圈的磁芯,采用特殊的繞線方法,提高對(duì)共模干擾的抑制,降低本器件的分布參數(shù),而在內(nèi)部濾波電容的選擇上,F(xiàn)TS選用高頻響應(yīng)電容。

由于內(nèi)部半導(dǎo)體和電容器的不同,因此對(duì)抗器的工作電壓也不同。工作電壓高的適用于交流輸入端,而工作電壓低的適宜于直流輸入或輸出端。

圖3是在IEC61000-4-4三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下,未插入FTS與插入FTS后的試驗(yàn)接線圖。圖4,圖5分別為未插入與插入FTS時(shí)在輸出端所測得波形。由圖看出,插入FTS后對(duì)于5ns上升沿的脈沖串的削幅起著重要作用,從而減弱了干擾的能量。

表6LSA雷擊浪涌吸收器系列參數(shù)(工作電壓:240VAC)

 

  額定電流(A) 瞬變電壓(V) 瞬變電流(A) 最大相電壓(線對(duì)中線)(V) 最大相電壓(線對(duì)地)(V)
LSA-1B 1 2000 1000 800 1000
LSA-1D 1 4000 2000 800 1000
LSA-1F 1 6000 3000 800 1000
LSA-1J 1 8000 4000 800 1000
LSA-3B 3 2000 1000 800 1000
LSA-3D 3 4000 2000 800 1000
LSA-3F 3 6000 3000 800 1000
LSA-3J 3 8000 4000 800 1000
LSA-6B 6 2000 1000 800 1000
LSA-6D 6 4000 2000 800 1000
LSA-6F 6 6000 3000 800 1000
LSA-6J 6 8000 4000 800 1000
LSA-10B 10 2000 1000 800 1000
LSA-10D 10 4000 2000 800 1000
LSA-10F 10 6000 3000 800 1000
LSA-10J 10 8000 4000 800 1000
LSA-16B 16 2000 1000 800 1000
LSA-16D 16 4000 2000 800 1000
LSA-16F 16 6000 3000 800 1000
LSA-16J 16 8000 4000 800 1000
LSA-30B 30 2000 1000 800 1000
LSA-30D 30 4000 2000 800 1000
LSA-30F 30 6000 3000 800 1000
LSA-30J 30 8000 4000 800 1000

 

表5FTS群脈沖對(duì)抗器系列參數(shù)

型號(hào)

參數(shù)

總之,F(xiàn)TS系列在參數(shù)設(shè)計(jì),器件的選用,線路的布局等諸多方面,經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn),終于成為分布參數(shù)低、衰減頻率高、對(duì)外輻射小,而對(duì)快速瞬變脈沖有著極強(qiáng)抑制作用的對(duì)抗器件。

LSA雷擊浪涌吸收器系列與其它元器件相比具有高速響應(yīng)(納秒級(jí))和更強(qiáng)的浪涌吸收能力,最大吸收浪涌電流可達(dá)4000A。

FTS群脈沖對(duì)抗器系列和LSA雷擊浪涌吸收器系列的具體參數(shù)分別列于表5及表6。

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