引言
開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的基本工作原理
開(kāi)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,。
濾波器有效抑制開(kāi)關(guān)電源電磁干擾問(wèn)題的探討" height="192" src="http://files.chinaaet.com/images/20110625/bc178561-2fa3-4069-ae14-74587d9b7409.jpg" width="173" />
圖1 開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)框圖
開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生EMI的原理
開(kāi)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(jiàn)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的核心，主要由開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開(kāi)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(kāi)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?。还材８蓴_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(kāi)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(kāi)關(guān)電源之間,。它僅允許工頻電流通過(guò),，對(duì)提高開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的工作頻率約為10kHz~100kHz,。對(duì)開(kāi)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(méi)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。