利用濾波器有效抑制開關(guān)電源電磁干擾問(wèn)題的探討

　　開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及外圍設(shè)備、通信、自動(dòng)控制、家用電器等領(lǐng)域，具有功耗低、效率高、體積小等顯著優(yōu)點(diǎn)，是目前最普遍應(yīng)用于電子設(shè)備中的一種電源裝置。

　　開關(guān)電源的突出缺點(diǎn)是產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁干擾（EMI）。EMI信號(hào)經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染電磁環(huán)境，影響電網(wǎng)和發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，干擾通信設(shè)備和電子產(chǎn)品，是公認(rèn)的電力公害。

　　本文將結(jié)合開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原理，提供濾波抑制的具體方法，幫助大家有效解決電磁干擾問(wèn)題。

　　開關(guān)電源的基本工作原理

　　開關(guān)電源主要通過(guò)整流器與電力網(wǎng)相連接，將市電直接整流濾波成為直流高壓，然后通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換成低壓的高頻交流電，再經(jīng)過(guò)二次整流和濾波變成所需要的直流低電壓。如圖1所示。

圖1 開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖

　　開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原理

　　開關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原因較多，其中由基波整流器產(chǎn)生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的尖峰電壓干擾是主要原因。

　　基波整流器的整流過(guò)程是產(chǎn)生電流諧波的常見原因

• 　　一次整流回路的諧波干擾

　　工頻正弦波電流通過(guò)全波整流電路的整流二極管后變成單向脈沖電流，此電流可分解為直流分量和一系列不同頻率的交流分量之和。利用傅立葉變換得：

　　其中Im是正弦電流的峰值

　　實(shí)驗(yàn)表明，諧波（特別是高頻諧波）會(huì)沿著輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，一方面使其前端電源波形發(fā)生畸變，另一方面通過(guò)電源線產(chǎn)生輻射干擾。

• 　　二次整流電路的諧波干擾

　　整流二極管在正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)的電荷被積累。因?yàn)槎O管工作在高頻通斷狀態(tài)，當(dāng)二極管加反向電壓時(shí)，積累的電荷不能立即消失，從而產(chǎn)生反向浪涌電流。由于線路存在分布電容、電感，高頻浪涌電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生高頻振蕩，因此這些騷擾頻譜豐富。

　　變壓器電路產(chǎn)生的諧波

　　變壓器型功率轉(zhuǎn)換電路用以實(shí)現(xiàn)變壓、變頻以及完成輸出電壓調(diào)整，是開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成。它生產(chǎn)的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻率較寬且諧波比較豐富。產(chǎn)生這種脈沖干擾的主要原因是：

　　1. 開關(guān)管的負(fù)載是高頻變壓器的初級(jí)線圈，是感性負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，級(jí)線圈中會(huì)產(chǎn)生很大的尖峰脈沖電壓，形成干擾。

　　2. 當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，高頻變壓器線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)e=-Ldi/dt，存儲(chǔ)在電感中的能量和集電極的電阻、電容形成阻尼振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰。該諧波電壓通過(guò)電線不僅會(huì)影響變壓器的初級(jí)線圈，還會(huì)返回配電系統(tǒng)，造成電網(wǎng)諧波干擾。

　　3. 由高頻變壓器的初級(jí)線圈、開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流回路可能產(chǎn)生較大的輻射干擾。同時(shí)，若濾波電容的濾波不足或高頻特性不好，則高頻電流通過(guò)一次整流回路以差模干擾的方式進(jìn)入電網(wǎng)。諧波引發(fā)的問(wèn)題很多，會(huì)引起變壓器的損耗增加，造成電容器的過(guò)載故障，引起電力系統(tǒng)功率因數(shù)降低等，危害很大。

　　抑制開關(guān)電源EMI的濾波措施

• 　　干擾信號(hào)從電源輸入端注入到公共電網(wǎng)，形成傳導(dǎo)騷擾。傳導(dǎo)干擾信號(hào)，可分為差模和共模兩種形式。
• 　　差模干擾在兩導(dǎo)線之間傳輸，屬于對(duì)稱性干擾；共模干擾在導(dǎo)線與地（機(jī)殼）之間傳輸，屬于非對(duì)稱性干擾。
• 　　差模干擾幅度小、頻率低、所造成的干擾較??；共模干擾幅度大、頻率高，還可以通過(guò)導(dǎo)線產(chǎn)生輻射，所造成的干擾較大。

　　基本濾波技術(shù)

　　濾波是抑制干擾的一種有效措施，尤其是對(duì)開關(guān)電源EMI信號(hào)的傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。

　　削弱傳導(dǎo)干擾，把EMI信號(hào)控制在有關(guān)電磁兼容性（EMC）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的極限電平以下，最有效的方法就是在電源輸入端加抗干擾（EMI）濾波器。EMI濾波器安裝在電源線和開關(guān)電源之間。它僅允許工頻電流通過(guò)，對(duì)提高開關(guān)電源的可靠性有重要作用。

　　常用的電源濾波器如圖2所示。

圖2 EMI基本濾波電路

　　圖中濾波電容C1、C2、C3、C4與電感L1、L2組成共模л型濾波環(huán)節(jié)，用來(lái)濾除共模干擾。C0、C5是高頻旁路電容，與電感L1、L2組成差模л型濾波環(huán)節(jié)，用來(lái)濾除差模干擾。

　　EMC很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳導(dǎo)干擾電平的極限值都是從10kHz算起。開關(guān)電源的工作頻率約為10kHz~100kHz。對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻段EMI信號(hào)，只要選擇適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娐坊蚓W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的EMI濾波器，就可以得到滿意效果。

　　此外，在濾波電路中，還可以采用其他專用的濾波元件，如穿心電容、鐵氧化磁環(huán)等，它們能夠改善濾波特性，恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇濾波器，并正確的安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。

　　特種濾波器件

　　特種濾波器中的饋通型濾波器（如圖3）及其延伸產(chǎn)品濾波陣列板和濾波連接器可有效解決高頻濾波的問(wèn)題。濾波器安裝在金屬面板上，具有很低的接地阻抗，并且利用金屬面板隔離濾波器的輸入和輸出。

圖3 不同濾波電路的衰減特性

　饋通濾波器的電路

　　濾波器的電路結(jié)構(gòu)C型（單個(gè)穿心電容）、L形（一個(gè)穿心電容加一個(gè)電感）、T形（兩個(gè)電感加一個(gè)穿心電容）、л型（兩個(gè)穿心電容加一個(gè)電感）等，濾波器的電路器件越多，則濾波器的過(guò)渡帶越短，阻帶的插入損耗越大。選用濾波電路的依據(jù)是：

　　1. 對(duì)干擾的衰減量：濾波器的器件數(shù)量越多，一般對(duì)干擾信號(hào)的衰減越大（但有例外，當(dāng)沒有符合下面第3項(xiàng)的原則時(shí)，衰減量可能與器件數(shù)量較少的一樣）。

　　2. 有用信號(hào)與干擾信號(hào)在頻率上的差別：有用信號(hào)與干擾信號(hào)的頻率相差越小，需要濾波器的器件數(shù)量越多。

　　3. 使用濾波器的電路的阻抗：一個(gè)基本的原則是，濾波器中的電容對(duì)著高阻抗電路，電感對(duì)著低阻抗電路。這里的所謂高低，可以以50Ω為參考。

　　饋通濾波器的使用方法

　　饋通濾波器的使用方法有以下三種：

　　1. 安裝在屏蔽體（屏蔽盒、屏蔽機(jī)箱）的面板上。

　　這是最基本的使用方法，當(dāng)有導(dǎo)線要穿過(guò)屏蔽體時(shí)，就需要在屏蔽體的面板上安裝饋通濾波器，使導(dǎo)線通過(guò)饋通濾波器纏裹屏蔽體。

　　2. 安裝在線路板的底線層上，如圖4。

圖4 饋通濾波器安裝在PCB板

　　在多層線路板上，可以利用線路板的地線層做隔離層和接地層。

　　1. 安裝在電路之間的隔離板上，如圖5。

圖5 饋通濾波器安裝在隔板上

　　2. 當(dāng)條件不具備，饋通濾波器不能安裝在屏蔽體面板或地線面上時(shí)，安裝在金屬隔離板上也具有普通電容（包括三端電容）不可比擬的高頻濾波作用。

　　濾波陣列板與濾波連接器

　　濾波陣列板和濾波連接器是饋通濾波器概念的兩種延伸。當(dāng)需要濾波的導(dǎo)線數(shù)量較多時(shí)，逐個(gè)焊接或安裝饋通濾波器是十分煩瑣的事，這時(shí)可使用濾波陣列板或?yàn)V波連接器，濾波陣列板上的濾波器已經(jīng)由廠家使用特殊工藝焊接好，性能可靠、使用簡(jiǎn)便。濾波陣列板上的濾波器的間隔為2.54mm,因此扁平電纜的接頭可以直接插上，避免了逐根焊線的繁瑣，便于組裝。濾波陣列板一般用在機(jī)箱內(nèi)部。

　　對(duì)于機(jī)箱外部的電纜進(jìn)行濾波必須使用濾波連接器，這樣才便于電纜的插拔。一般濾波連接器的外形尺寸與普通連接器是完全相同的，可以直接取代普通連接器。

　　不同的是濾波連接器的每個(gè)針孔上安裝了一個(gè)低通濾波器，濾除信號(hào)線上的高頻干擾。

　　使用濾波陣列板時(shí)，要注意的問(wèn)題是：一定要在濾波陣列板與安裝面板之間安裝電磁密封襯墊，否則在縫隙處會(huì)有很強(qiáng)的電磁泄露。

　　自制濾波連接器

　　濾波連接器對(duì)于解決電纜造成的干擾十分有效。但是濾波連接器的價(jià)格一般較高，并且不是所有型號(hào)的連接器都有對(duì)應(yīng)的濾波連接器。這給實(shí)際工程帶來(lái)很大不便。如果對(duì)空間的限制不嚴(yán)，可以自己制作濾波連接器，其效果與成品相同。

　　自制濾波連接器的方法有兩個(gè)，一個(gè)是在設(shè)備面板上選好連接器后，在連接器的后面裝一個(gè)屏蔽盒，屏蔽盒上安裝饋通濾波器（或?yàn)V波陣列板）如圖6所示；另一個(gè)方法是將選好的連接器與饋通濾波器（陣列板）安裝在一個(gè)獨(dú)立的金屬盒內(nèi)，構(gòu)成一個(gè)濾波部件。

圖6 自制濾波連接器

　　怎樣確定濾波器的參數(shù)

　　選用濾波器時(shí)，最重要的3個(gè)參數(shù)是額定電流、額定電壓和截止頻率。

　　額定電流就是指流過(guò)濾波器的信號(hào)電流，一般很好確定。

　　電壓的確定：如果所濾波的導(dǎo)線不會(huì)受到靜電放電、電流脈沖、浪涌等高壓的沖擊，電路的工作電壓就是濾波器額定工作電壓。否則，如拖在設(shè)備外部的電纜，會(huì)受到高壓的沖擊，此時(shí)需要充分考慮這種情況。一般額定工作電壓要達(dá)到200V以上。

　　截止頻率的確定：信號(hào)線濾波器的截止頻率定義為插入損耗為3dB時(shí)頻率。截止頻率的選擇必須保證濾波器的通帶覆蓋功能性信號(hào)的帶寬，保證設(shè)備的正常工作，同時(shí)最大限度地濾除不必要的高頻干擾。對(duì)于模擬信號(hào)，只要保證截止頻率大于信號(hào)的帶寬即可。對(duì)于數(shù)字脈沖信號(hào)，截止頻率可定為1/лtr，tr是脈沖的上升/下降時(shí)間。如果是周期性脈沖信號(hào)，也可以取脈沖重復(fù)頻率的15倍作為截止頻率。

　　濾波電容值的確定：電容值越大，濾波器的截止頻率越低，對(duì)于單個(gè)電容的濾波電路而言，截止頻率為Fco=1/(2лRpC)，Rp是源電路阻抗與負(fù)載電路阻抗的并聯(lián)值。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　電磁干擾的形式和種類很多，傳播方式、干擾途徑不盡相同，許多廠家通過(guò)實(shí)踐有更多更好的措施來(lái)抑制電磁干擾。如何有效抑制電磁干擾是我們不懈研究的方向。