產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)（連載）

在產(chǎn)品的電磁兼容性測(cè)試中，有一部分是涉及到在電源線上做抗干擾試驗(yàn)的，本文的目的就在于幫助讀者提高產(chǎn)品的電源線抗干擾能力。

1 概述

1.1 干擾的方式

電源線上的干擾有共模和差模兩種方式，如圖2.1所示。

“共?！备蓴_存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線對(duì)大地間。共模干擾有時(shí)也稱縱模干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾。這是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾。

“差?！备蓴_存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這是載流導(dǎo)體之間的干擾。

共模干擾提示了干擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中來到的。而差模干擾則提示了干擾是源于同一條電源電路的。通常這兩種干擾是同時(shí)存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會(huì)相互轉(zhuǎn)化，所以情況十分復(fù)雜。干擾經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模大，這是因?yàn)榫€間阻抗與線—地阻抗不同的緣故。出于同一原因，共模干擾在線路傳輸中還會(huì)向鄰近空間輻射，而差模則不會(huì)，因此共模干擾比差模更容易造成電磁干擾。

不同的干擾方式要采取不同的干擾抑制方法才有效。判斷干擾方式的簡(jiǎn)便方法是采用電流探頭。探頭先單獨(dú)環(huán)繞每根導(dǎo)線，得出單根導(dǎo)線的感應(yīng)值；然后再環(huán)繞兩根導(dǎo)線（其中一根是地線）探測(cè)其感應(yīng)情況。如感應(yīng)值是增加的，則線路中干擾電流是共模的；反之則是差模的。

1.2 干擾的類型

電源干擾的類型有多種，包括電壓跌落（如重載接通造成電網(wǎng)電壓下跌）、失電（如雷擊、變壓器故障或其他原因造成的短時(shí)停電）、頻率偏移（如發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定、區(qū)域性電網(wǎng)故障等）、電氣噪聲（如無線電信號(hào)、電廠或工業(yè)設(shè)備的飛弧、開關(guān)電源或大功率逆變?cè)O(shè)備等產(chǎn)生的電磁騷擾）、浪涌（如突然減輕負(fù)載、變壓器抽頭不當(dāng)?shù)龋?、諧波失真（如整流、變頻調(diào)速和開關(guān)電源的工作）和瞬變（如雷擊、大功率開關(guān)的切換、對(duì)電感性負(fù)載的切換）等等。

1.3 干擾對(duì)設(shè)備工作的影響

有三組常被引用的數(shù)據(jù)可供參考：

（1）美國(guó)電話、電報(bào)公司（AT＆T）在1982年得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：電壓跌落87％、脈沖干擾7.5％、電源失效4.7％、電壓浪涌0.8％。

（2）美國(guó)商用機(jī)器公司（IBM）在1974年得出的結(jié)果為：振蕩瞬變49％、脈沖干擾39.5％、電壓跌落11％、斷電0.5％。

（3）美國(guó)海軍在經(jīng)過十年的統(tǒng)計(jì)后得出電壓過低是造成故障的首要原因。

以上三組數(shù)據(jù)結(jié)果大相徑庭，可以用設(shè)備對(duì)象不同，測(cè)試條件也不盡相同來給以解釋。但不管怎樣，最主要的影響有兩個(gè)，一個(gè)是電源線上的瞬變（包括振蕩瞬變和脈沖干擾）；另一個(gè)是長(zhǎng)時(shí)間的電壓過低。

2 干擾的抑制技術(shù)

針對(duì)不同的干擾，應(yīng)采取不同的抑制技術(shù)，由簡(jiǎn)單的線路清理，至單個(gè)元件的干擾抑制器、濾波器和變壓器，再至比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器和凈化電源，以及價(jià)格昂貴而性能完善的不間斷電源，下面分別作簡(jiǎn)要敘述。

2.1 專用線路

只要通過對(duì)供電線路的簡(jiǎn)單清理就可以取得一定的干擾抑制效果。如在三相供電線路中認(rèn)定一相作為干擾敏感設(shè)備的供電電源；以另一相作為外部設(shè)備的供電電源；再以一相作為常用測(cè)試儀器或其他輔助設(shè)備的供電電源。這樣的處理可避免設(shè)備間的一些相互干擾，也有利于三相平衡。

值得一提的是在現(xiàn)代電子設(shè)備系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負(fù)載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而是疊加，因此過于纖細(xì)的中線會(huì)造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。同時(shí)過細(xì)的中線還會(huì)造成中線過熱。

2.2 瞬變干擾抑制器

屬瞬變干擾抑制器的有氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管和固體放電管等多種。其中金屬氧化物壓敏電阻和硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；而氣體放電管和固體放電管是能量轉(zhuǎn)移型干擾吸收器件（以氣體放電管為例，當(dāng)出現(xiàn)在放電管兩端的電壓超過放電管的著火電壓時(shí)，管內(nèi)的氣體發(fā)生電離，在兩電極間產(chǎn)生電弧。由于電弧的壓降很低，使大部分瞬變能量得以轉(zhuǎn)移，從而保護(hù)設(shè)備免遭瞬變電壓破壞）。瞬變干擾抑制器與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。

（1）氣體放電管

氣體放電管也稱避雷管，目前常用于程控交換機(jī)上。避雷管具有很強(qiáng)的浪涌吸收能力，很高的絕緣電阻和很小的寄生電容，對(duì)正常工作的設(shè)備不會(huì)帶來任何有害影響。但它對(duì)浪涌的起弧響應(yīng)，與對(duì)直流電壓的起弧響應(yīng)之間存在很大差異。例如90V氣體放電管對(duì)直流的起弧電壓就是90V，而對(duì)5kV/μs的浪涌起弧電壓最大值可能達(dá)到1000V。這表明氣體放電管對(duì)浪涌電壓的響應(yīng)速度較低。故它比較適合作為線路和設(shè)備的一次保護(hù)。此外，氣體放電管的電壓檔次很少。

（2）金屬氧化物壓敏電阻

由于價(jià)廉，壓敏電阻是目前廣泛應(yīng)用的瞬變干擾吸收器件。

描述壓敏電阻性能的主要參數(shù)是壓敏電阻的標(biāo)稱電壓和通流容量即浪涌電流吸收能力。前者是使用者經(jīng)常易弄混淆的一個(gè)參數(shù)。壓敏電阻標(biāo)稱電壓是指在恒流條件下（外徑為7mm以下的壓敏電阻取0.1mA；7mm以上的取1mA）出現(xiàn)在壓敏電阻兩端的電壓降。由于壓敏電阻有較大的動(dòng)態(tài)電阻，在規(guī)定形狀的沖擊電流下（通常是8/20μs的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流）出現(xiàn)在壓敏電阻兩端的電壓（亦稱是最大限制電壓）大約是壓敏電阻標(biāo)稱電壓的1.8～2倍（此值也稱殘壓比）。

這就要求使用者在選擇壓敏電阻時(shí)事先有所估計(jì)，對(duì)確有可能遇到較大沖擊電流的場(chǎng)合，應(yīng)選擇使用外形尺寸較大的器件（壓敏電阻的電流吸收能力正比于器件的通流面積，耐受電壓正比于器件厚度，而吸收能量正比于器件體積）。

使用壓敏電阻要注意它的固有電容。根據(jù)外形尺寸和標(biāo)稱電壓的不同，電容量在數(shù)千至數(shù)百pF之間，這意味著壓敏電阻不適宜在高頻場(chǎng)合下使用，比較適合于在工頻場(chǎng)合，如作為晶閘管和電源進(jìn)線處作保護(hù)用。

特別要注意的是，壓敏電阻對(duì)瞬變干擾吸收時(shí)的高速性能（達(dá)ns)級(jí)，故安裝壓敏電阻必須注意其引線的感抗作用，過長(zhǎng)的引線會(huì)引入由于引線電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓（在示波器上，感應(yīng)電壓呈尖刺狀）。引線越長(zhǎng)，感應(yīng)電壓也越大。為取得滿意的干擾抑制效果，應(yīng)盡量縮短其引線。

關(guān)于壓敏電阻的電壓選擇，要考慮被保護(hù)線路可能有的電壓波動(dòng)（一般取1.2～1.4倍）。如果是交流電路，還要注意電壓有效值與峰值之間的關(guān)系。所以對(duì)220V線路，所選壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)當(dāng)是220×1.4×1.4≈430V。

此外，就壓敏電阻的電流吸收能力來說，1kA（對(duì)8/20μs的電流波）用在晶閘管保護(hù)上，3kA用在電器設(shè)備的浪涌吸收上；5kA用在雷擊及電子設(shè)備的過壓吸收上；10kA用在雷擊保護(hù)上。

壓敏電阻的電壓檔次較多，適合作設(shè)備的一次或二次保護(hù)。

（3）硅瞬變電壓吸收二極管（TVS管）

硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間（亞納秒級(jí)）和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次?？捎糜诒Ｗo(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。

TVS管有單方向（單個(gè)二極管）和雙方向（兩個(gè)背對(duì)背連接的二極管）兩種，它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。

使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高10％左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作；也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。

TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上；雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。

TVS管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)：

①對(duì)瞬變電壓的吸收功率（峰值）與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊(cè)給的只是特定脈寬下的吸收功率（峰值），而實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測(cè)，事前要有估計(jì)。對(duì)寬脈沖應(yīng)降額使用。

②對(duì)小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識(shí)地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會(huì)影響線路的正常工作，但限流電阻對(duì)干擾所產(chǎn)生的電流卻會(huì)大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對(duì)小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。

③對(duì)重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。

④作為半導(dǎo)體器件的TVS管，要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問題。

⑤特別要注意TVS管的引線長(zhǎng)短，以及它與被保護(hù)線路的相對(duì)距離。

⑥當(dāng)沒有合適電壓的TVS管供采用時(shí)，允許用多個(gè)TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。

⑦TVS管的結(jié)電容是影響它在高速線路中使用的關(guān)鍵因素，在這種情況下，一般用一個(gè)TVS管與一個(gè)快恢復(fù)二極管以背對(duì)背的方式連接，由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容，因而二者串聯(lián)的等效電容也較小，可滿足高頻使用的要求。

（4）固體放電管

固體放電管是一種較新的瞬變干擾吸收器件，具有響應(yīng)速度較快（10～20ns級(jí)）、吸收電流較大、動(dòng)作電壓穩(wěn)定和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

固體放電管與氣體放電管同屬能量轉(zhuǎn)移型。圖2.2為其伏安特性。當(dāng)外界干擾低于觸發(fā)電壓時(shí)，管子呈截止?fàn)?。一旦干擾超出觸發(fā)電壓時(shí)，伏安特性發(fā)生轉(zhuǎn)折，進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，此時(shí)電流極大，而導(dǎo)通電阻極小，使干擾能量得以轉(zhuǎn)移。隨著干擾減小，通過放電管電流的回落，當(dāng)放電管的通過電流低于維持電流時(shí)，放電管就迅速走出低阻區(qū)，而回到高阻態(tài)，完成一次放電過程。

固體放電管的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的短路失效模式（器件失效時(shí)，兩電極間呈短路狀），為不少應(yīng)用場(chǎng)合所必須，已在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

固體放電管的電壓檔次較少，比較適合于作網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備，乃至部件一級(jí)的保護(hù)。

2.3 電源線濾波器

電源線濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電能傳輸中寄生的電磁干擾，對(duì)提高設(shè)備的可靠性有重要作用。

（1）電源線濾波器的結(jié)構(gòu)

常用的電源線濾波器是由無源集中參數(shù)（電感、電容和電阻）構(gòu)成的單級(jí)線路，如圖2.3所示。

圖中電容CX位于相線與中線之間，用于衰減差模干擾，故俗稱抗差模電容，其電壓額定值與所用電源有關(guān)，對(duì)220V交流電源來說，常用250VAC的CBB電容。CX的典型值為幾十至幾百nF之間。匝數(shù)相同的L1和L2同繞在一個(gè)磁芯上，按圖示同名端標(biāo)注，當(dāng)交流電流通過時(shí)，回路中的磁通相互抵消，不會(huì)引起磁芯飽和。但對(duì)共模電流則呈現(xiàn)大的感抗值，可取得大的濾波效果。鑒于圖中電感的特殊作用，被稱為共模電感。共模電感的電感量與通過電流的大小有關(guān)（電流小，線徑細(xì)，故匝數(shù)可多些。反之亦反），典型值在幾百nH至幾mH之間。位于相線及中線的對(duì)地電容Cy，用來衰減共模干擾，故稱為抗共模電容?？紤]到電氣設(shè)備要做電源輸入端對(duì)外殼的工頻耐壓及工頻泄漏電流試驗(yàn)，Cy的容量不宜太大，一般取1nF至4.7nF；而耐壓選3～6kVDC。電阻R用來消除可能出現(xiàn)在濾波器上的靜電積累，在濾波器制作時(shí)不是必須的。

（2）濾波器的測(cè)試

描述濾波器性能的主要參數(shù)是插入損耗。制造商按照CISPR17規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)試。目前多用源阻抗為50Ω，負(fù)載阻抗也為50Ω的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，所以濾波器手冊(cè)上給的特性參數(shù)實(shí)際上是在特定條件下測(cè)得的。

（3）濾波器的安裝

濾波器對(duì)電磁干擾的抑制作用不僅取決于它的設(shè)計(jì)和實(shí)際工作條件，而且還取決于濾波器的安裝情況。

首先，濾波器外殼與設(shè)備的金屬機(jī)殼要有可靠接觸，接觸電阻增大會(huì)使濾波效果變差。圖2.4可說明這一點(diǎn)。其次，設(shè)備的金屬外殼要接大地，這不僅出于人身安全的考慮，防止濾波器泄漏電流對(duì)人體造成危害，同時(shí)也是出于電磁兼容性的考慮，提高設(shè)備的抗干擾能力。

此外，濾波器的引線安裝位置也很重要，必須讓濾波器的輸入和輸出線路之間不存在耦合，否則會(huì)導(dǎo)致濾波器濾波性能下降。最好的辦法是，電源線不直接進(jìn)入設(shè)備機(jī)箱，而是經(jīng)過濾波之后才進(jìn)入（如使用帶電源插座的濾波器），利用機(jī)殼的自然屏蔽，把電源線干擾排除在設(shè)備之外。

（4）濾波器的實(shí)際濾波效果

經(jīng)常有人抱怨，說裝置使用濾波器后，效果并不理想。究其原因，除了安裝和使用上的不規(guī)范外，更重要的可能是濾波器與負(fù)載阻抗之間的嚴(yán)重失配（負(fù)載阻抗與干擾源阻抗都不是50Ω），導(dǎo)致濾波性能大大下降，使用者決不要掉以輕心。

（5）提高濾波器性能的一些措施

①使用帶地線電感的濾波器。濾波器雖能抑制相線與中線上的干擾，但對(duì)地線上的干擾無能為力，因?yàn)榈鼐€上的干擾照樣可以進(jìn)入設(shè)備。為減少這種干擾，可在圖2.5中的E和E′間加一個(gè)濾波電感LE。這個(gè)電感可為共模干擾提供額外衰減。此時(shí)，設(shè)備機(jī)殼要接大地。

②采用多級(jí)濾波器。單級(jí)濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但與電網(wǎng)及負(fù)載阻抗嚴(yán)重失配，對(duì)濾波性能有很大影響。如能采用多級(jí)（如三級(jí)）濾波器，則在各種情況下都能取得很好的濾波效果，特別是低頻段的特性。當(dāng)然這是以價(jià)格與尺寸為代價(jià)的。

③在有電壓浪涌下使用的濾波器。普通濾波器對(duì)于浪涌的抑制能力很差，特別是對(duì)于干擾的前沿與脈寬都較大的情況效果就更差。這可以用浪涌波的諧波頻率較低；濾波器與浪涌源的阻抗失配；浪涌波作用下的電感磁芯嚴(yán)重飽和等原因來解釋。為此，有些濾波器制造商把對(duì)浪涌有很好吸收作用的壓敏電阻、氣體放電管等也設(shè)計(jì)到濾波器中，一旦浪涌電壓超出吸收器件的門檻時(shí)，吸收器件便發(fā)揮作用。在明白這一道理后，設(shè)計(jì)人員也可將濾波器與吸收器件組合使用。

④新型軟磁材料在抑制低頻共模噪聲中的使用。目前濾波器的低頻特性很差，一方面是受到體積、重量與性價(jià)比的限制，不能在普通設(shè)備中使用高檔濾波器；另一方面是鐵氧體磁芯的動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率不夠高，在低頻時(shí)不能產(chǎn)生足夠大的感抗。80年代時(shí)，將非晶態(tài)磁芯用到濾波器中使濾波器在低頻段的插入損耗有很大提高。非晶態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是：

●有高的飽和磁感應(yīng)值Bs，可使磁芯在強(qiáng)脈沖電流下仍不飽和，而繼續(xù)保持高的電感量和插入損耗。

●高的磁導(dǎo)率（特別是在低于1MHz的頻段內(nèi)）使要求同樣插入損耗的濾波器體積和重量大大減小。

●熱穩(wěn)定性好（居里點(diǎn)高）。

為此有人建議將這類磁芯與鐵氧體磁芯組成兩級(jí)濾波器，各在不同頻段內(nèi)發(fā)揮作用，使新濾波器的體積、重量和性價(jià)比都得到改進(jìn)。另外由于在強(qiáng)脈沖電流下不易飽和的特點(diǎn)，還特別適合于制作抑制脈沖性質(zhì)的傳導(dǎo)干擾的濾波器。

⑤加接有耗元件來改進(jìn)普通濾波器的高頻特性。普通濾波器是由無損耗的電抗元件構(gòu)成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號(hào)源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當(dāng)反射濾波器與信號(hào)源阻抗不匹配時(shí)，就會(huì)有一部分能量被反射回信號(hào)源，導(dǎo)致干擾電平的增強(qiáng)。為解決這一弊病，可使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套在濾波器的進(jìn)線上，利用磁環(huán)或磁珠對(duì)高頻信號(hào)的渦流損耗，把高頻成分轉(zhuǎn)化為熱損耗。所以磁環(huán)和磁珠實(shí)際上對(duì)高頻成分起吸收作用，故有時(shí)也稱之為吸收濾波器。注意，所用的是有耗材料。

（6）濾波器使用中的注意事項(xiàng)

①對(duì)濾波器的選擇，除滿足電磁兼容性外，還要注意安全性（要考慮安全認(rèn)證）。

②在某些情況下，用戶喜歡自行搭制簡(jiǎn)易濾波器，這時(shí)要特別注意線路結(jié)構(gòu)。元件的寄生參數(shù)，引線的長(zhǎng)度等都可能是限制阻帶寬度和插入損耗的關(guān)鍵因素。特別是當(dāng)工作頻率提高時(shí)，更不容忽視。

③對(duì)鐵氧體磁環(huán)和磁珠構(gòu)成的吸收濾波器，除了應(yīng)選用高磁導(dǎo)率的有耗材料外，還要注意它的應(yīng)用場(chǎng)合。它們?cè)诰€路中對(duì)高頻成分所呈現(xiàn)的電阻大約是十至幾百Ω，因此它在高阻抗電路中的作用并不明顯，相反，在低阻抗電路（如功率分配、電源或射頻電路）中使用將非常有效。

2.4 隔離變壓器

隔離變壓器是一種廣泛使用的電源線干擾抑制措施。其基本作用是實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離，解決由地線環(huán)路帶來的設(shè)備間相互干擾。下面簡(jiǎn)述普通隔離變壓器、帶屏蔽的隔離變壓器和性能完善的隔離變壓器及其抗干擾效果。

（1）普通隔離變壓器

這是一種最簡(jiǎn)單的隔離變壓器，在初級(jí)與次級(jí)間不設(shè)屏蔽層。它可解決輸入與輸出間的電隔離，從而解決公共地的問題。

普通隔離變壓器對(duì)共模有一定抑制作用，但因繞組間分布電容使它對(duì)共模干擾的抑制效果隨頻率升高而下降。

普通隔離變壓器對(duì)共模干擾的抑制作用可用初次級(jí)間的分布電容和設(shè)備對(duì)地分布電容之比值來估算。通常初次級(jí)間的分布電容為幾百pF，設(shè)備對(duì)地分布電容為幾～幾十nF，因此共模干擾的衰減值在10～20倍左右，即20～30dB。

（2）帶屏蔽層的隔離變壓器

對(duì)普通隔離變壓器共模抑制能力的分析表明，要獲得衰減大，關(guān)鍵是要耦合電容小。為此，在變壓器初次級(jí)間增設(shè)屏蔽層，如圖2.6所示。屏蔽層對(duì)變壓器的能量傳輸無不良影響，但影響繞組間的耦合電容。從圖中可看出，要使共模抑制性能好，屏蔽層的良好接地最重要。

圖中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

ZC1：C1的阻抗ZC2：C2的阻抗

f：干擾的頻率ZE：屏蔽層的接地阻抗

Z2：負(fù)載的對(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

e2=e1[(ZE)/(Zc1)]×[(Z2)/(Zc2)

ZC1=1/2πfC1

ZC2=1/2πfC2

這里：ZC1>ZE，ZC2>Z2故e1>>e2

帶屏蔽層的隔離變壓器除了能抑制共模干擾外，利用屏蔽層還可以抑制差模干擾，如圖2.7所示。具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級(jí)的中線端。對(duì)50Hz工頻來說，由于初級(jí)與屏蔽層構(gòu)成的容抗很高，故仍通過變壓器效應(yīng)傳遞到次級(jí)，而未被衰減。對(duì)頻率較高的差模干擾，由于初級(jí)與屏蔽層間容抗變小，使這部分干擾經(jīng)由分布電容及屏蔽層與初級(jí)中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而不進(jìn)入次級(jí)回路。

（3）超級(jí)隔離變壓器

超級(jí)隔離變壓器是性能較完善的多重屏蔽隔離變壓器，對(duì)共模與差模干擾都有較強(qiáng)的抑制能力。

雙重屏蔽的隔離變壓器如圖2.8(a)所示，是最簡(jiǎn)單的多重屏蔽隔離變壓器，一個(gè)屏蔽層接變壓器初級(jí)的中線，以降低差模干擾；另一層接大地，以抑制共模干擾。

更完善的多重屏蔽的隔離變壓器如圖2.8（b）所示，為三重屏蔽的隔離變壓器?？拷跫?jí)的屏蔽層接初級(jí)中線；中間的屏蔽層則與變壓器外殼連在一起，再接大地；靠近次級(jí)的屏蔽層，接次級(jí)的一個(gè)端子。

上述三種隔離變壓器的干擾抑制特性如圖2.9所示。

至此，用已經(jīng)介紹過的三種器件（瞬變干擾吸收器、電源線濾波器和隔離變壓器）可解決IBM公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中因電源原因造成計(jì)算機(jī)故障成因的88.5％。

2.5 交流穩(wěn)壓器

在輸入電壓和負(fù)載電流變化時(shí)，交流穩(wěn)壓器可以把其輸出電壓保持在允許范圍內(nèi)。下面將逐個(gè)介紹各種穩(wěn)壓電源，并指出它們的主要優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）鐵磁諧振交流穩(wěn)壓電源

這是一種簡(jiǎn)單、可靠性較高的交流穩(wěn)壓電源，基本線路如圖2.10所示。

由于電容C兩端并聯(lián)了飽和電抗器Ls，所以使等效的并聯(lián)電容呈現(xiàn)了非線性。這種非線性隨Ls的飽和程度而變化，而Ls的飽和程度又在輸入電壓Ui和負(fù)載阻抗ZL變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)Ui較低時(shí)，可使UO高于Ui；而在Ui較高時(shí)，又可使UO低于Ui，從而使輸出電壓UO保持穩(wěn)定。由此可見，它是靠改變Ls的飽和程度，而使Ls與C的并聯(lián)容抗和L產(chǎn)生諧振來實(shí)現(xiàn)的。在靜態(tài)條件下，它的穩(wěn)壓精度可以達(dá)到±1～±2％

這種交流穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是：

①穩(wěn)壓精度與負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)；

②電網(wǎng)頻率變化時(shí)可引起穩(wěn)壓電源內(nèi)部的感抗和容抗值改變，從而影響穩(wěn)壓精度；

③輸出電壓的波形失真較大（輸出電壓波形呈梯形狀）；

④輸出電壓相對(duì)輸入有相移；

⑤工作有噪音。

這種交流穩(wěn)壓電源的最大優(yōu)點(diǎn)是過載能力強(qiáng)，甚至當(dāng)輸出端發(fā)生短路時(shí)也不會(huì)引起供電線路短路，這表明它有相對(duì)較高的輸出阻抗。但鐵磁諧振交流穩(wěn)壓電源的這種特點(diǎn)在起動(dòng)電流大的負(fù)載時(shí)，又可能成為缺點(diǎn)，將有可能使這類負(fù)載步入不了正常運(yùn)行階段。

（2）參數(shù)調(diào)整型交流穩(wěn)壓電源

這類穩(wěn)壓電源在我國(guó)已有較長(zhǎng)的使用歷史，早年實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的“614”穩(wěn)壓器就是一典型例子。其原理線路如圖2.11所示。

圖中TA是自耦變壓器；AM是磁放大器，N2則是直流控制繞組。Uy是由輸出采樣及經(jīng)由直流放大電路引來的直流控制電壓，通過這個(gè)電壓產(chǎn)生的電流Iy將改變交流繞組的電感量，進(jìn)而改變TA的電流I1及補(bǔ)償電壓ΔU的值，最后可保持輸出電壓UO的穩(wěn)定。圖2.11中的L和C用于吸收線路中的3次諧波，以減少UO的波形失真。

圖2.12是圖2.11的改進(jìn)線路（以雙向晶閘管調(diào)感技術(shù)來代替磁放大器）。圖中電感L2中的N1和N2以及L3處在線性耦合狀態(tài)，線路由N2上取得補(bǔ)償電壓。L3與C2的串聯(lián)支路用于消除諧波的影響。雙向晶閘管S與電感L1組成的支路與C1并聯(lián)諧振，這里利用對(duì)晶閘管S的相位控制來改變電感L的參數(shù)，最終影響ΔU的值，使輸出UO保持穩(wěn)定。

后者是目前宣傳和應(yīng)用較多的交流穩(wěn)壓電源。有人給它冠名為“凈化電源”，原因是相對(duì)鐵磁諧振穩(wěn)壓電源來說，它抑制了交流輸出電壓中的部分諧波。

這種穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓精度較高，可優(yōu)于±1％。

但這種穩(wěn)壓電源在帶非線性負(fù)載（如計(jì)算機(jī)）時(shí)，可能有低頻振蕩現(xiàn)象。另外，輸入側(cè)的電流諧波較大；功率因數(shù)較低；輸出電壓相對(duì)輸入有一定相移。

（3）伺服型交流穩(wěn)壓電源

這也是一種較早使用的交流穩(wěn)壓電源，如圖2.13所示。在一臺(tái)帶有若干抽頭的自耦變壓器上[見圖2.13（a）；在小功率場(chǎng)合下，也有采用自耦式調(diào)壓變壓器的，見圖2.13（b）]，利用監(jiān)視變壓器輸出電壓的辦法來驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)改變變壓器輸出抽頭的位置，最終使自耦變壓器的輸出維持在負(fù)載所允許的范圍內(nèi)。

這種穩(wěn)壓器的響應(yīng)速度較低（達(dá)秒級(jí)）；而且在調(diào)整過程中還會(huì)產(chǎn)生許多尖峰和振鈴干擾。為此，在實(shí)驗(yàn)室里要慎用。

（4）分級(jí)調(diào)整的寬限交流穩(wěn)壓電源

是常見的家用交流穩(wěn)壓器，和圖2.13(a)一樣，也是多抽頭的自耦變壓器，但抽頭位置由繼電器轉(zhuǎn)換，由于家用電器都有一定的電壓適應(yīng)范圍，所以穩(wěn)壓精度不是主要問題，但輸入電壓的適應(yīng)范圍要寬。

這類穩(wěn)壓電源的價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)也是明顯的：如穩(wěn)壓精度不高；在繼電器轉(zhuǎn)換過程中伴有電火花帶來的尖峰干擾。對(duì)后一缺點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)慎用。

（5）真正意義上的凈化電源

對(duì)大多數(shù)電氣和電子設(shè)備來說，都有一定的電壓適應(yīng)范圍，故穩(wěn)壓精度不是主要問題，但要求穩(wěn)壓電源的電壓適應(yīng)范圍寬，對(duì)電網(wǎng)或負(fù)載變化的響應(yīng)速度要高，尤其是要抑制掉存在于電網(wǎng)中的瞬變干擾。因?yàn)楫?dāng)今電子設(shè)備的小型化、數(shù)字化和低功耗化，對(duì)電網(wǎng)的瞬變干擾尤其敏感。

為此，真正意義上的凈化電源采用了多抽頭的超級(jí)隔離變壓器（圖2.14）。其中，超級(jí)隔離變壓器對(duì)干擾抑制特別有效；對(duì)多抽頭的繞組則改用無觸點(diǎn)的雙向晶閘管，配用數(shù)字電路或單片機(jī)來控制。針對(duì)后者，有時(shí)也稱它為數(shù)控型凈化電源。這種電源可做到在上半周波發(fā)現(xiàn)有過壓或欠壓現(xiàn)象，下半周波即進(jìn)行調(diào)整，故響應(yīng)速度可小于10ms。

利用這種凈化電源可以解決IBM公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的99.5％的問題（88.5％是各種瞬變干擾，由超級(jí)隔離變壓器解決；11％是電壓不穩(wěn)，由多抽頭選擇切換解決）。

（6）開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源

把先進(jìn)的高頻開關(guān)電源技術(shù)引入交流穩(wěn)壓電源中，可以得到小型、輕量、高效及響應(yīng)速度高的開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源。目前屬發(fā)展方向，但因其復(fù)雜、價(jià)昂而難于推廣。

（7）不間斷電源

按IBM的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因電源問題而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)故障的最后05％便是斷電，當(dāng)前主要是采用不間斷電源來解決的。

①不間斷電源的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

從不間斷電源的電路結(jié)構(gòu)和供電情況看，主要有三類：

●電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組

這是較早發(fā)展的一種不間斷電源，主要由直流電動(dòng)機(jī)（交流電經(jīng)整流后供電）驅(qū)動(dòng)的慣性飛輪和交流發(fā)電機(jī)組組成，一旦電網(wǎng)停電，利用飛輪的慣性儲(chǔ)能，使發(fā)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)供電；與此同時(shí)，起動(dòng)備用的柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)油機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速相同時(shí)，油機(jī)離合器與發(fā)電機(jī)相聯(lián)，完成由市電到油機(jī)的轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)是穩(wěn)壓可靠，但體積和噪聲都較大。

●靜態(tài)后備式

電網(wǎng)正常時(shí)，靜態(tài)后備式不間斷電源處在旁通狀態(tài)，即市電經(jīng)輸入濾波器及靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)直接輸送給負(fù)載；與此同時(shí)，市電通過充電器向蓄電池充電。這時(shí)逆變器不工作。只是當(dāng)斷電發(fā)生時(shí)，才將靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)切換到逆變器一側(cè)（一般需2～4ms），逆變器起動(dòng)，將蓄電池中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)變成交流電，輸送給負(fù)載。

靜態(tài)后備式不間斷電源的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、小巧、價(jià)格便宜。但電壓輸出直接受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，且對(duì)電網(wǎng)中的突變干擾無能為力。故供電質(zhì)量不高，只適宜在一般不太重要的場(chǎng)合中使用。

靜態(tài)后備式不間斷電源主要是單相和小容量的（幾百VA至1～2kVA）。另外，由于內(nèi)部電池的容量有限，在滿載時(shí)的電池備援供電時(shí)間為10～30min；半載時(shí)為30～60min。

●靜態(tài)在線式

在靜態(tài)在線式不間斷電源中，交流市電不直接對(duì)負(fù)載供電，而是經(jīng)過整流后對(duì)蓄電池充電，由蓄電池給逆變器供電，再由逆變器把直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電給負(fù)載供電。這過程本身也提高了靜態(tài)在線式不間斷電源輸出電壓的濾波作用。

斷電時(shí)，蓄電池不再充電，但給逆變器供電的情況沒有改變，故不間斷電源仍然給負(fù)載提供交流電源，這一切都是在用戶不知情的情況下完成的，不存在掉電轉(zhuǎn)換時(shí)間。

靜態(tài)在線式不間斷電源的線路復(fù)雜，保護(hù)和擴(kuò)展功能強(qiáng)，能適應(yīng)較寬的市電電壓波動(dòng)及頻率跟蹤范圍，保持不間斷電源與市電在頻率上一致和相位上同步。當(dāng)逆變器發(fā)生輸出過電壓、過電流或不間斷電源故障時(shí)，逆變器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，并通過靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)轉(zhuǎn)到旁通位置，直接由市電給負(fù)載供電。

靜態(tài)在線式不間斷電源的容量一般較大，在幾kVA，最大可達(dá)幾百kVA。對(duì)三相大功率的不間斷電源，常用于航空交通控制中心，國(guó)防電子計(jì)算機(jī)中心，商用計(jì)算機(jī)運(yùn)行中心，國(guó)際信息傳遞中心，醫(yī)院電子計(jì)算機(jī)及監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，機(jī)場(chǎng)跑道照明等重要場(chǎng)合。

②不間斷電源的主要性能指標(biāo)

●輸入電壓：一般為額定電壓的±10％、±15％或＋15％、－25％等等。輸入電壓允許范圍越寬，將來直接由蓄電池供電的機(jī)會(huì)就越少。避免了不間斷電源經(jīng)常工作在蓄電池供電狀態(tài)，而主要處在待命狀態(tài)。

●輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波：以直接采用整流濾波的單相電路為例，由于輸入電流呈脈沖狀，電流集中在輸入電壓峰值附近，因此輸入功率因數(shù)較低，一般在0.7左右，輸入的諧波也較大。諧波對(duì)電網(wǎng)造成很大的污染：會(huì)使同一電網(wǎng)中的變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器等產(chǎn)生附加的損耗，通過發(fā)熱加速絕緣老化；諧波會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降低、振動(dòng)加劇、噪聲增大；高次諧波還會(huì)對(duì)電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生干擾；諧波還會(huì)影響到電能計(jì)量的精度。所以輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波是判斷不間斷電源的重要指標(biāo)，對(duì)大容量的不間斷電源尤其如此。通常要求輸入功率因數(shù)在0.95以上；輸入諧波5％。

●對(duì)輸入頻率的跟蹤與頻率穩(wěn)定度：對(duì)在線式不間斷電源來說，為防止由逆變器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為旁通時(shí)，逆變器因環(huán)流而造成損壞，要求正常工作的逆變器對(duì)電網(wǎng)頻率和相位進(jìn)行跟蹤。

●狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間：對(duì)后備式不間斷電源來說，從旁通轉(zhuǎn)為由逆變器供電，有一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間問題；對(duì)在線式不間斷電源來說，從逆變器供電轉(zhuǎn)變?yōu)榕酝顟B(tài)，也存在一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間問題。通常都要求在4ms以下。

●輸出波形及失真度：后備式不間斷電源的輸出多數(shù)為方波，而在線式不間斷電源一般為正弦波。失真度則用以表示線性負(fù)載時(shí)的輸出波形中諧波含量與基波之比。對(duì)方波而言，由于諧波含量大，一般不再給出其失真度。只有對(duì)正弦輸出的電源才給出這一指標(biāo)，通常要求3％。

●輸出電壓的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度：前者指電壓的穩(wěn)壓精度，通常為額定值的±（1～3）％；后者指負(fù)載自空載至滿載時(shí)，輸出電壓的變化量及恢復(fù)至正常電壓所需的時(shí)間，在動(dòng)態(tài)情況下的輸出電壓變動(dòng)約為靜態(tài)值的±5％；動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間約為20ms左右。

·輸出功率因數(shù)，輸出電流波峰系數(shù)，輸出過載能力等等：它們直接反映了不間斷電源的輸出能力。負(fù)載功率因數(shù)反映了對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力，一般要求為0.8，對(duì)低功率因數(shù)的負(fù)載則要求低至0.5。輸出電流波峰系數(shù)的高低則在一定程度上反映了不間斷電源的過載能力，不同的不間斷電源，過載能力也不同。

●效率：是不間斷電源的重要指標(biāo)，對(duì)大功率電源來說，尤其如此。這影響電源的溫升和壽命，也影響為調(diào)節(jié)環(huán)境溫度而需要的投資費(fèi)用。通常要求不間斷電源的效率>85％。

●其他：如不間斷電源的保護(hù)功能（包括過載時(shí)的自動(dòng)轉(zhuǎn)旁通供電；電池的過充電或過放電保護(hù)；電源設(shè)備的熱保護(hù)）；工作條件（包括環(huán)境溫度、相對(duì)濕度和海拔高度等。一般環(huán)境溫度為0～40℃；濕度在25℃時(shí)為80％～95％；海拔不超過3000m）；工作噪音等等。