开关电源的抗干扰问题

开关电源的抗干扰问 上海三基电子工业有限公司林先放（上海 200063）摘要：在叙述电磁兼容的定义及其试验的基础上介 绍抑制电磁干扰的一般方法及其存在的问题。最后介绍新型抗电磁干扰器件—FTS 系列群脉冲对抗器与 LSA 系列雷击浪涌吸收器的特点。 关键词：电磁干扰电磁兼容电磁兼容试验新型抗电磁干扰器件 1 引言 电磁兼容（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁 骚扰的能力。随着电子产品越来越多地采用低功耗、高速度、高集成度的 LSI 电路而使得这些装置比以往 任何时候更容易受到电磁干扰的威胁。而与此同时，大功率家电及办公自动化设备的增多，以及移动通讯、 无线寻呼的广泛应用等，又大大增加了电磁骚扰的发生源。这些变化迫使人们把电磁兼容作为重要的技术 问题加以关注。特别是欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规，强制执行 89/336/EEC 指令，即规定 从 1996 年 1 月 1日起电气和电子产品都必须符合 EMC 要求，并加贴 CE 标志后才能在欧共体市场上销售以 来，促进各国政府从国际贸易的角度，高度重视电磁兼容技术。 为了适应国际商贸与技术发展的要求，国家技术监督局也准备对声音和电视广播设备、信息技术设备、 家用和电热、电动工具、电源、照明电器、火花点火发动机的驱动装置、金融及贸易结算电子设备、安保 电子产品、低压电器等 10 大类进行强制性 EMC 认证。凡不符合 EMC 的产品，有关部门将有权对产品的 生产企业和销售商追究责任。国家出入境检验检疫局和对外贸易经济合作部则在 1998 年 12 月联合发出了 “关于对 6种进口商品实施电磁兼容强制检测的通知”，规定对个人计算机、显示器、打印机、开关电源、 电视机和音响设备等 6种进口商品自 1999 年 1 月起实施 EMC 强制检测，这标志着电气和电子产品的电磁兼 容性能已开始成为我国商品进出口检验中的一项关键指标。 所谓电磁兼容（ElectromagneticCompatibility）是指设备（分系统、系统）在共同的电磁环境中能一起 执行各自功能的共存状态。这里包含两层意思：即它工作中产生的电磁发射要限制在一定水平内；另外， 它本身要有一定的抗干扰能力。这便是设备研制中所必须解决的兼容问题。 2EMC 试验 以往人们比较重视电磁发射的测试及抑制技术，以保护通讯、广播系统或其它装置不受干扰。近来，电磁 敏感度的测试和对策技术已成为 EMC 领域中的热点，各行业也纷纷在行业标准中加入了抗干扰性能的规定。 例如电力系统中对多功能电度表、用户集中抄表系统、远动终端继电保护装置，都提出了抗干扰的要求。 电力工业部标准 DL/T614《多功能电能表》中规定了以下几种抗干扰测试要求： （1）静电放电抗扰度试验 按 IEC61000－4－2中规定，并在下列条件下进行： 接触放电； 严酷等级：4； 试验电压：8kV； 放电次数：10。 静电放电作用后，仪表不应出现损坏或信息的改变，并能正常工作，计度器不应产生大于 X（kW·h）的变 化，测试输出也不应产生大于 X（kW·h）的脉冲信号量。X的计算公式如下： X=mUnImax×10－4（1） 式中 m——测量单元数; Un——参比电压 V; Imax——最大电流,A。 （2）高频电磁场抗扰度试验 按 IEC61000－4－3中规定，并在下述条件下进行： 电压和辅助线路加参比电压; 频率范围：（80～100）MHz; 严酷等级：3; 试验场强：10V/m。 在高频电磁场的作用下，仪表不应出现损坏或信息的改变，并能正常工作，计度器不应产生大于 X（kW·h） 的变化。测试输出也不应产生大于 X（kW·h）的脉冲信号量。X的计算公式同式（1）。 在负载电流 Ib、功率因数 cosφ为 1、处于敏感频率或主振频率点的条件下，误差改变量应在表 1 规定 极限内（此条只对电子式多功能电能表进行）。AAAA 表 1 高频电磁场影响 对应等级的误差改变量极限（％）负载电流 功率因数 0.2 0.5 1 2 3 Ib cosφ=1.0 1.0 2.0 2.0 3.0 3.0 （3）电快速瞬变脉冲群试验 按照 IEC61000－4－4中规定，并在下述条件下进行： 试验电压应以共模方式施加； 严酷度等级：4； 试验电压：4kV； 试验时间：60s。 在脉冲群作用下，仪表不应出现损坏或信息的改变，并能正常工作，计度器不应产生大于 X（kW·h）的变 化，测试输出也不应产生大于 X（kW·h）脉冲信号量。X的计算公式同式（1）。 （4）浪涌试验 按 IEC61000－4－5中规定，并在下述条件下进行： 严酷等级：4； 试验电压：4kV； 波形：1.2/50μs； 极性：正/负； 试验次数：正、负极性各 5 次； 重得率：1分钟 1次。 在浪涌的作用下，仪表不应出现损坏或信息的变化，并能正常工作，计度器不应该产生大于 X（kW·h）的 变化，测试输出也不应产生大于 X（kW·h）的脉冲信号量。X的计算公式同式（1） （5）无线电干扰试验 当频率在（0.15～3）MHz 范围内，传导干扰电压允许值见表 2。 表 2传导干扰电压允许值 允许值 dB(μV/m) 频段(MHz) 峰值 平均值 0.15～0.50 66～56 56～46 0.50～5 56 46 5～30 60 50 当频率在（30～1000）MHz 范围内测量距离为 10m 的辐射干扰允许值见表 3。 表 3辐射干扰允许值 频段(MHz) 允许值 dB(μV/m) 30～230 30 230～1000 37 （6）外磁场影响试验 在正常工作状态下，加以与多功能电能表参比电压相同频率、随时间正弦变化、强度为 0.5mT(400A/m)的 外磁场，且在最不利的方向和相位的情况下进行，试验中程序不应紊乱，内存数据不应丢失，误差改变量 应符合各有关标准的要求。 （7）谐波影响 分别将含有 10％的 3次、5次谐波干扰源施加在多功能电能表电压线路，需测示值误差的改变量应不超过 0.2％,程序不应紊乱，内存数据不应丢失。 虽然国家技术监督局对电源产品并未要求进行抗干扰方面的测试，但是由于各种干扰往往会通过电源传输 给电子设备，从而对这些设备造成危害。开关电源的生产厂家应对抗干扰问题引起足够的重视。具有良好 抗干扰设计的电源，能使用户在产品设计中无需考虑由电源引起的抗干扰问题，大大加快用户的产品开发 周期和节约开发成本。 3 干扰的方式与类型 电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干扰是指电源对大地，或中线对大地之间的电位 差。有时也称为纵横干扰、不对称干扰或接地干扰，这是载流导体与大地之间的电位差。 “差模”干扰存在于电源相线与中线之间，对于三 相电路来说，还存在于相线与相线之间。有时也称为常模干扰、横模干扰或对称干扰。 两种干扰模式的区别是十分重要的，因为对共模干扰是不能用差模的方式来解决的，反之亦然。 干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化（如电压的跌落、 浪涌与中断）、频率变化、波形失真（电压的或电流的）、持续噪声或杂波，以及瞬变等。 表 4电源干扰的类型 序号 干扰的类型 典型的起因 1 跌落 雷击；重载接通；电网电压低下 2 失电 恶劣的气候；变压器故障；其他原因的故障 3 频率偏移 发电机不稳定；区域性电网故障 4 电气噪声 雷达；无线电讯号；电力公司和工业设备的飞弧；转换器和逆变器 5 浪涌 突然减轻负载；变压器的抽头不恰当 6 谐波失真 整流；开关负载；开关型电源；调速驱动 7 瞬变 雷击；电源线负载设备的切换；功率因素补偿电容的切换；空载电动机的断开 表 4中的几种干扰，能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和 浪涌冲击波，而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象，就不会造成由电源 引起的对用电设备的影响。 良好的电源设计应使电源在较恶劣的电磁环境中本身能正常工作，同时应对电源线中的各种脉冲干扰有较 好的抑制作用。 4 抑制干扰的方法 一般的干扰抑制方法有以下几种： 图 1 典型的电源线路滤波器 （1）在电源的输入端加入线路滤波器。如图 1所示。其中 L1 和 L2 的线圈同方向绕在同一磁芯上，这两个 电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是互相抵销的，因此不会引起磁芯的饱和。而对于共模电流则可 以反映为很大的电感，以便获得最大的滤波效果，所以又称为共模电感。 CX 电容被用来衰减差模干扰，CY 电容用于衰减共模干扰。R用于消除可能在滤波器中出现的静电积累。 电源滤波器主要用于抑制 30MHz 以下频率范围的噪声，而对于脉冲干扰，其谐波频率往往高达上百兆赫， 实际使用下来其效果往往并不明显。例如某研究机构对 20 种电源滤波器的抑制浪涌波的能力进行了测试， 超过 20dB 的仅有 4种，甚至有的会在输出端产生振荡。 （2）采用带屏蔽层的变压器 由于共模干扰是一种相对大地的干扰，所以它主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。如果在初、次级 之间插入屏蔽层，并使之良好接地，便能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉，从而减小输出端的干扰电压。屏 蔽层对变压器的能量传输并无不良影响，但影响了绕组间的耦合电容。图 2画出了带屏蔽层的隔离变压器 的共模干扰通路。从图 2中可以看到要使共模衰减量大，只要变压器屏蔽层接地阻抗小，便能奏效。理论 上带屏蔽层的变压器能使衰减量达到 60dB 左右。但实际使用后可以发现，对于尖峰干扰有抑制，其效果也 不十分明显。 图 2带屏蔽层的变压器 C1：初级绕组与屏蔽层之间的分布电容 C2：次级绕组与屏蔽层之间的分布电容 ZE:屏蔽层接地阻抗 Z2：负载对地阻抗 e1:初级干扰（共模型）电压 e2：次级干扰（共模型）电压 （3）压敏电阻、气体放电管、TVS 管、固体放电管等吸波器件。这类器件都有共同的特点，即在阈值电压 以下呈现高阻抗，而一旦超过阈值电压，则阻抗便急剧下降，因此对尖峰电压都有一定的抑制作用，但也 有各自的局限性，例如气体放电管的响应速度较慢，压敏电阻的电流吸收能力又不够大，TVS 管和固体放 电管的阈值电压一般仅为 300V～400V。 5FTS 系列群脉冲对抗器及 LSA 系列雷击浪涌吸收器 上海三基公司设计的 FTS 群脉冲对抗器系列与 LSA 雷击浪涌吸收器系列，就具有高速的响应级别、高的耐压和更强的浪涌吸收电流。 图 3试验接线图 （a）未插入 FTS（b）插入 FTS 图 4 未插入 FTS 时测得的波形 （a）A处波形（b）B处波形 图 5插入 FTS 后测得的波形 (a)A 处波形(b)B 处波形 FTS 系列群脉冲干扰对抗器是根据用户反映电子产品难于通过 IEC61000－4－4标准（关于电快速瞬态脉冲 干扰的标准）而研制的一种新型抗干扰器件。 电快速瞬变脉冲是一种上升沿为 5ns,半坡宽 50ns，重复频率为 2.5kHz 或 5kHz 的脉冲群，其谐波频率可达 100MHz，而普通电源滤波器无法起到抑制作用。 普通电源滤波器是由一些无损耗电抗元件构成的，能阻止频带以外的其它信号通过，并把它反射到信号源。 因此当阻抗不匹配时，一部分有用信号将被反射，重新返回信号源，这样反而导致干扰电平的增加而不是 减小。而群脉冲干扰对抗器则克服了电源滤波器的上述缺点，采用了吸收与反射相结合的原理。 吸收部分采用从日本定制的专用铁氧体以及美国 PROTEK 公司生产的新型半导体削波器件组成的复合 结构。铁氧体由于其自身特点，对直流或低频信号几乎没有功率损耗，而对于 1MHz 以上的高频噪声则有很 强的吸收作用，并将这些能量以热的形式释放，而不是反射回信号源，也不是辐射出去。在用于群脉冲对 抗器的铁氧体材料的定制中，我们要求有很大的饱和磁通密度，并且单位体积损耗与饱和磁通密度之比要 足够高，从而使得该器件在体积足够小的情况下能对干扰起到较强的抑制作用。半导体器件吸收部分，我 们采用 PROTEK 公司的吸收器件，它具有极高的响应速度，实测值响应时间小于 1ns。 反射部分，FTS 系列分别采用 TDK 高饱和磁通密度的材料作为共轭线圈的磁芯，采用特殊的绕线方法，提 高对共模干扰的抑制，降低本器件的分布参数，而在内部滤波电容的选择上，FTS 选用高频响应电容。 由于内部半导体和电容器的不同，因此对抗器的工作电压也不同。工作电压高的适用于交流输入端，而工 作电压低的适宜于直流输入或输出端。 图 3是在 IEC61000－4－4三级标准下，未插入 FTS 与插入 FTS 后的试验接线图。图 4，图 5分别为未插入 与插入 FTS 时在输出端所测得波形。由图看出，插入 FTS 后对于 5ns 上升沿的脉冲串的削幅起着重要作用， 从而减弱了干扰的能量。 表 6LSA 雷击浪涌吸收器系列参数（工作电压：240VAC） 额定电流 (A) 瞬变电压 (V) 瞬变电流 (A) 最大相电压（线对中线）(V) 最大相电压（线对地）(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 群脉冲对抗器系列参数 型号 参数 总之，FTS 系列在参数设计，器件的选用，线路的布局等诸多方面，经过反复试验，终于成为分布参数低、 衰减频率高、对外辐射小，而对快速瞬变脉冲有着极强抑制作用的对抗器件。 LSA 雷击浪涌吸收器系列与其它元器件相比具有高速响应（纳秒级）和更强的浪涌吸收能力，最大吸收浪 涌电流可达 4000A。 FTS 群脉冲对抗器系列和 LSA 雷击浪涌吸收器系列的具体参数分别列于表 5及表 6。 作者简介 林先放男高级师。1982 年毕业于华东师范大学，长期从事电磁兼容和开关电源的研究开发工作，现任 中日合资上海三基电子工业有限公司电源事业部部长。 收稿日期：2000.5.11 定稿日期：2000.6.25 开关电源的抗干扰问题