摘要：本文指出了當(dāng)前市面上家用電腦電源關(guān)于EMC方面不足的情況，并依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研制出一種新型的可以解決家用電腦電源EMI問題的無(wú)源濾波器。

關(guān)鍵詞：電腦；電源干擾；無(wú)源濾波器

中圖分類號(hào)：TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)06-1pppp-0c

1 電腦電源干擾分析

在我們的日常生活用電中，其實(shí)額定頻率為50HZ的市電并不是“純凈”。由于電網(wǎng)中存在著各種各樣的感性和容性負(fù)載，加上各類干擾脈沖，使得市電中夾雜著許多雜訊和雜波，特別是突發(fā)脈沖和高頻干擾。這就使得電源的工作環(huán)境十分惡劣，而眾所周知的是，計(jì)算機(jī)的抗干擾能力很差，特別是抗脈沖干擾的能力更差。如果沒有一個(gè)“純凈”的電源環(huán)境，那么電腦頻頻出錯(cuò)和死機(jī)就是很常見的現(xiàn)象。此外電腦本身也是一個(gè)強(qiáng)大的干擾源，因?yàn)樵陔娔X處理系統(tǒng)中，數(shù)模電路的混合使用，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種頻率的電磁信號(hào)，形成一個(gè)較為惡劣的內(nèi)部工作環(huán)境。

而且隨著我國(guó)電磁兼容要求的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，電腦的EMC要求已明確提出。本文正是針對(duì)以上情況，介紹了制作一種新型的電腦電源無(wú)源濾波器。其目的是為了不讓外界的干擾信號(hào)入侵干擾電腦的工作，也為了不讓工作時(shí)產(chǎn)生的電磁信號(hào)外泄污染電網(wǎng)。

1.1 電源電路分析

從市面上看，國(guó)內(nèi)目前的計(jì)算機(jī)電腦電源有串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓電源，脈沖調(diào)寬式開關(guān)穩(wěn)壓電源（簡(jiǎn)稱PWM）和不間斷電源（簡(jiǎn)稱UPS）。而現(xiàn)在我們家用電腦所用的電腦電源幾乎都是脈沖調(diào)寬式開關(guān)電源。PWM電源的基本工作原理[1]如下：電網(wǎng)電壓經(jīng)整流濾波后得到約300V左右的直流電壓，經(jīng)晶體管調(diào)制后成為幅度為300V的高頻脈沖。經(jīng)高頻變壓器變壓得到所需的電壓，然后再經(jīng)整流濾波得到需要的直流電壓。輸出電壓的穩(wěn)定則是依賴對(duì)脈沖寬度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就叫做脈寬調(diào)制PWM。

在實(shí)際生產(chǎn)中，電路往往會(huì)根據(jù)實(shí)際需要而作出相應(yīng)變化。現(xiàn)在電腦使用的符合ATX標(biāo)準(zhǔn)的電源幾乎都是采用半橋式功率轉(zhuǎn)換的經(jīng)典電路。

無(wú)論在前兩個(gè)任何一個(gè)中，我們都可以看見電路中是有兩個(gè)地方是作為濾波之用的。一個(gè)是高壓濾波電路，另外一個(gè)是低壓濾波電路。高壓濾波電路的主要元件是兩個(gè)高壓濾波電容，其作用是將脈動(dòng)的直流電濾除交流成分而輸出比較平穩(wěn)的直流電。低壓濾波電路，主要濾除低壓電流（+5V、+12V等）中的雜波。所以其實(shí)兩者的用途是一樣的，一般都是大容量電容。在電容行業(yè)里它們都被稱為“平滑電容”，只是兩者的耐壓值不一樣。

1.2 電源干擾分析

如果只是按照以上的電路所生產(chǎn)出來(lái)的，而且這恰恰也是現(xiàn)在許多廠商為節(jié)省成本所做的一樣，往往都超過了EMC所要求的標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)殡娔X電源的干擾的原因[2]有以下幾個(gè)：

(1)混入電源網(wǎng)絡(luò)中的干擾

這種干擾，一般是由于其它大功率用電設(shè)備作用于電網(wǎng)而形成的一種干擾，主要是高頻干擾。

(2)電源變壓器的漏磁通干擾

泄漏于變壓器之外的漏磁通及分布電容的存在將向外界釋放電磁場(chǎng)，從而對(duì)其它電路形成干擾。

(3)整流電路的干擾

整流電路將交流電變?yōu)槊}動(dòng)直流之后，這種脈動(dòng)直流本身是一種50HZ（單相半波）或100HZ(單相全波或橋式整流)以及它們的高次諧波疊加在一起的紋波干擾。

(4)穩(wěn)壓電路的干擾

由于穩(wěn)壓電路的使用，也就帶來(lái)了新的干擾因素。如果電路工作異常將可能產(chǎn)生自激振蕩，或者由于穩(wěn)壓電路電壓不穩(wěn)定，也可能對(duì)所供電路造成一種認(rèn)為的干擾。

綜上所述，電腦電源系統(tǒng)的干擾包括電網(wǎng)的高頻干擾，變壓器的漏磁通干擾，紋波干擾以及穩(wěn)壓電路的自激干擾。所以一般電腦電源的高壓、低壓濾波電路都只是針對(duì)紋波干擾進(jìn)行濾波，那效果當(dāng)然不好。因此本文以下部分將給出一種電腦電源干擾的解決方案。

2 電腦電源EMC解決方案

2.1 電源EMC分析

電磁兼容EMC是指在有限的空間、時(shí)間和頻譜范圍內(nèi)，各種電氣設(shè)備共存而不引起性能的下降，它包括電磁騷擾（EMD）和電磁敏感（EMS）兩方面的內(nèi)容。EMD是指電氣產(chǎn)品向外發(fā)出噪聲，EMS則是指電氣產(chǎn)品抵抗外來(lái)電磁騷擾的能力。

而電腦電源中的功率開關(guān)管在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓和電流跳變，因而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁騷擾，但騷擾的頻率范圍（<30MHz）是比較低的。而且電腦電源的幾何尺寸遠(yuǎn)小于30MHz電磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)（空氣介質(zhì)中約為10m），所以電腦電源系統(tǒng)研究的電磁騷擾現(xiàn)象屬于似穩(wěn)場(chǎng)的范圍，研究它們的電磁騷擾問題時(shí)，主要考慮的是傳導(dǎo)騷擾[3]。

2.2 電源電磁騷擾的抑制

電腦電源EMC最主要是傳導(dǎo)騷擾，在眾多的抑制電源的EMD措施中，濾波是比較有效的辦法。把電源濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，不但可以用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)騷擾，同時(shí)又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)騷擾。而傳導(dǎo)騷擾又分差模干擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產(chǎn)生更大的輻射型EMD。目前抑制傳導(dǎo)EMD最有效的方法是利用無(wú)源濾波技術(shù)。

作為一種雙端口網(wǎng)絡(luò)EMD濾波器，它對(duì)騷擾的抑制性能不僅取決于濾波器本身的拓?fù)洌以诤艽蟪潭壬弦彩蹺MD濾波器輸入、輸出阻抗值的影響。由于EMD濾波器阻抗和負(fù)載阻抗的可變動(dòng)性以及它們可能直接與電網(wǎng)相連的特點(diǎn)，電源EMD濾波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了EMD濾波器設(shè)計(jì)不能完全應(yīng)用成熟的通信用濾波器的設(shè)計(jì)方法和理論。所以現(xiàn)在EMD濾波器設(shè)計(jì)還是帶有比較強(qiáng)的實(shí)踐性。

而對(duì)于EMD濾波器設(shè)計(jì)具有技術(shù)依據(jù)的電磁兼容性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T17618 1998《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測(cè)量方法》。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，家用電腦是屬于信息技術(shù)設(shè)備B級(jí)，所以電腦電源EMC解決方案必須根據(jù)信息技術(shù)設(shè)備B級(jí)所提出的要求來(lái)進(jìn)行，其中最主要的是應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗擾度極限值要求。以下是我依據(jù)GB/T17618，針對(duì)電腦電源傳導(dǎo)干擾，尋找EMC解決方案時(shí)所做的，并從中抽取幾個(gè)比較有對(duì)比意義的實(shí)驗(yàn)圖。

圖1環(huán)境噪聲干擾電平

實(shí)驗(yàn)分析：圖1為背景噪聲干擾，即當(dāng)被測(cè)設(shè)備沒有接上單相人工模擬電源時(shí)所測(cè)得的干擾。由圖可見，環(huán)境噪聲電平與規(guī)定的限值之差少于6dB，即試驗(yàn)場(chǎng)地能做到區(qū)分來(lái)自EUT的騷擾和環(huán)境噪聲，滿足測(cè)量條件。

圖2 電腦電源傳導(dǎo)干擾電平

實(shí)驗(yàn)分析：圖2為電腦正常運(yùn)行，CPU使用率為4%時(shí)的電源傳導(dǎo)干擾。圖中0。15MHz-1。0MHz頻段上的干擾主要為差模干擾；1.0MHz-10MHz頻段上的干擾為差模干擾和共模干擾的結(jié)合；10MHz-30MHz上的干擾主要為共模干擾。并且電腦電源傳導(dǎo)干擾主要在0.15MHz－16MHz。

圖3 電源傳導(dǎo)干擾（電源兩端并濾波電路后）

實(shí)驗(yàn)分析：圖3為電源兩端并上3.3UF薄膜電容時(shí)的傳導(dǎo)干擾。由圖可見，并上單個(gè)電容對(duì)干擾的抑制效果不明顯，只對(duì)低頻部分干擾（即差模干擾）起到一定的吸收作用。

圖4 電源傳導(dǎo)干擾（電源兩端接上濾波電路后）

實(shí)驗(yàn)分析：圖4為電源兩端接上初始磁導(dǎo)率為10000，用錳－鋅鐵氧體卷繞的共模電感和一對(duì)容量為0.0022uF的Y2電容后的傳導(dǎo)干擾。圖中明顯可見，1.4MHz-30MHz頻率段的干擾電平降到低于規(guī)定限值，即共模干擾得到抑制。

圖5 電源傳導(dǎo)干擾（電源兩端接上濾波電路后）

實(shí)驗(yàn)分析：由圖5可見，電源傳導(dǎo)干擾電平在0.15MHz－30MHz整個(gè)頻段內(nèi)都有明顯的下降，即該濾波電路對(duì)干擾起到了較好的抑制作用，但仍存在一定的超標(biāo)數(shù)據(jù)。低頻部分干擾電平還比較高。3.2MHz上可能存在著諧振點(diǎn)。

圖6電源傳導(dǎo)干擾（電源兩端接上一個(gè)二級(jí)濾波電路后）

實(shí)驗(yàn)分析：由圖6可見，該二級(jí)濾波電路對(duì)干擾起到較好的抑制作用。0.15MHz-30MHz整個(gè)頻段的干擾電平都低于標(biāo)準(zhǔn)限值，沒有一個(gè)超標(biāo)數(shù)據(jù)。其中前級(jí)電感是由錳-鋅鐵氧體卷繞的，初始磁導(dǎo)率比較高，電感量高；而后級(jí)電感是由鎳-鋅鐵氧體卷繞的，高頻特性比較好。

圖7 電源傳導(dǎo)干擾（電源兩端接上一個(gè)二級(jí)濾波電路后）

實(shí)驗(yàn)分析：由圖7可見，此為一個(gè)更優(yōu)勝的解決方案。

圖8 電源傳導(dǎo)干擾（電源兩端接上一個(gè)二級(jí)濾波電路后）

實(shí)驗(yàn)分析：由圖8可見，二級(jí)濾波電路為我們本次設(shè)計(jì)的最終解決方案。所以經(jīng)過實(shí)驗(yàn)所獲得的上述圖7是電腦電源濾波器最佳的方案：

0.82μF+0.1μF＋2X0.0047μF＋2X4.58 mH＋2X95μH

2.3 電源濾波器的元件參數(shù)

對(duì)于在上述電腦電源EMC解決方案，即 0.82μF +0.1μF＋2X0.0047μF＋2X4.58 mH＋2X95μH 。其所用的器件參數(shù)如下：

2.3.1 X2電容

2.3.2 Y2電容

2.3.3 L1電感

2.3.4 電阻

R=1MΩ/2W

3 EMC電源濾波器的特性

3.1 EMC電源濾波器的特性

3.1.1 使用溫度/OPERATING TEMPERATURE

電容在850C、1.4Un 50/60Hz條件下正常長(zhǎng)期工作時(shí)．

The capacitors continue to work.(T=850C U=1.4Un)

3.1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

EN133200:1999;GB/T 15287-94;GB/T 15288-94

3.1.3 電壓連續(xù)耐久性/Endurance-voltage

在850C、1.75倍的Un和50/60Hz條件下， 97小時(shí)后容量變化不超過10%。

Under 850C 、1.75times Un and 50/60Hz.The capacitance change not more than 10% after 65hours.

過流，沖擊電壓Vtt=1000V。AC，沖擊83S無(wú)擊穿現(xiàn)象。

Withstand currentVtt=1000V。Ac 83S

3.1.5 可靠性/Reliability

累計(jì)工作3500個(gè)小時(shí)，電容組件失效率不超過100PPM，Under operating technology condition 。Fatality:≤100PPMwithin 3500hs。

4 技術(shù)參數(shù)推斷依據(jù)

4.1 連續(xù)耐久性

在850C、1.75倍的Un和50/60Hz條件下，65小時(shí)后容量變化不超過10%。

依據(jù)：

假設(shè)計(jì)算機(jī)工作壽命為五年，平均每天工作六個(gè)小時(shí)，總共工作時(shí)間為10950小時(shí)。由占空比為44%。則累計(jì)加在上面電壓的時(shí)間為4818小時(shí)。以1.75倍Un的電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由外推法，每實(shí)驗(yàn)一小時(shí)，則相當(dāng)正常工作50小時(shí)。故只需進(jìn)行97小時(shí)的實(shí)驗(yàn)，且其容量變化不超過10%。

4.2 電流沖擊耐久性

在CGE218L下過流，沖擊電壓Vtt=1000V。AC，沖擊60S無(wú)擊穿現(xiàn)象。

依據(jù)：

工作時(shí)間推斷同上，工作時(shí)間為7300，10950小時(shí)。每9秒沖擊一次，則沖擊的時(shí)間為438萬(wàn)次。在工作時(shí)沖擊的主電壓為380V。AC。以CGE218L進(jìn)行過流沖擊，沖擊電壓為1000V。AC ，由耐久性推斷得在此電壓沖擊一次，相當(dāng)于正常工作沖擊的次數(shù)

N=(U/Un)^7.2=2.63^7.2=1056

T=4380000/1056≈4148

只要在此設(shè)備上沖擊4148次就等效于正常沖擊438萬(wàn)次，設(shè)置設(shè)備每秒沖擊50次。則沖擊的時(shí)間為：t=4148/50≈83S

5 總結(jié)

自從我國(guó)加入世界貿(mào)易組織以來(lái)，我國(guó)的外貿(mào)活動(dòng)就更加頻繁了。但是很多比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，特別是歐盟，要求所有在歐盟市場(chǎng)銷售的電子電氣產(chǎn)品必須在其對(duì)其他產(chǎn)品的干擾性及對(duì)外來(lái)影響的抗干擾性方面嚴(yán)格符合歐盟法律要求。而電腦就包含在所規(guī)定的要求EMC合格的電子電氣產(chǎn)品之中。所以希望本文所提及的電腦電源EMC解決方案以及濾波器的制作，對(duì)我們國(guó)內(nèi)生產(chǎn)電腦電源解決EMI問題有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]王會(huì)立.開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì).

收稿日期：2008-01-09