崔 曉 曾 光 熊 宇 李進(jìn)東

（1.廣東白云學(xué)院，廣東 廣州 510000；2.廣州東芝白云菱機(jī)電力電子有限公司，廣東 廣州 510000）

通常情況下，可能會干擾開關(guān)電源正常使用運行的安全隱患因素可以分為外界因素以及電源本體因素，以上2 種關(guān)鍵因素都會威脅到開關(guān)電源的正常操作使用，降低開關(guān)電源的安全性能。為了杜絕電磁干擾帶來的影響，核心技術(shù)要點就是準(zhǔn)確監(jiān)測并分析開關(guān)電源產(chǎn)生干擾的原因，據(jù)此形成完善合理的電磁干擾應(yīng)對操作方案。

1 開關(guān)電源中的電磁干擾問題

電磁干擾現(xiàn)象普遍存在于各種型號的開關(guān)電源中，開關(guān)電源如果處于電磁干擾產(chǎn)生頻率較高的狀態(tài)，那么開關(guān)電源的整體安全性能將會受到明顯不利影響，甚至還會損壞開關(guān)電源，導(dǎo)致供電系統(tǒng)中斷等故障。電磁脈沖干擾的關(guān)鍵成因就是電磁脈沖被雷電感應(yīng)激發(fā)，導(dǎo)致形成強度較高的空間磁場。在突發(fā)性的雷電擊打影響下，系統(tǒng)感應(yīng)電壓就會在很短時間里迅速增強，并且附著于金屬導(dǎo)體。

對于開關(guān)電源來講，常見的電源電磁干擾通常來自于外界的空間環(huán)境因素，或者產(chǎn)生于內(nèi)部系統(tǒng)中的開關(guān)元器件。例如，整流器的重要系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成部分可能會發(fā)出頻率較高的電壓干擾信號，進(jìn)而導(dǎo)致了高次諧波電流帶來程度較為明顯的開關(guān)電源干擾。此外，功率變換電路也可能會直接造成系統(tǒng)中的諧波，明顯增加射頻干擾的頻率幅度。電源線系統(tǒng)中經(jīng)過的電流可能會表現(xiàn)為畸變現(xiàn)象，將會造成系統(tǒng)中的諧波分量頻率與幅度在短時間里發(fā)生明顯的改變。

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系由于受到電磁轉(zhuǎn)換的強烈作用，電網(wǎng)體系內(nèi)的不間斷電源、直流驅(qū)動設(shè)備、晶閘管設(shè)備、變頻驅(qū)動設(shè)備以及節(jié)能裝置設(shè)備都可能出現(xiàn)電磁干擾情況。電網(wǎng)體系中的電磁干擾如果強度較高，那么還會造成電網(wǎng)浪涌沖擊、系統(tǒng)電壓頻繁波動、諧波電磁干擾或者其他不良后果。以上現(xiàn)象屬于電磁干擾現(xiàn)象，電頻繁的電磁干擾會明顯威脅到電網(wǎng)運行安全。

2 分析開關(guān)電源中的電磁干擾問題產(chǎn)生根源

2.1 系統(tǒng)外部因素

第一類為電磁脈沖干擾。EMP 也可稱為電磁脈沖干擾，該類型電磁干擾成因廣泛存在[1]。如果開關(guān)電源系統(tǒng)內(nèi)部的基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施比較容易接收強度較高電壓，那么將會降低開關(guān)電源安全使用性能，誘發(fā)各種類型的電氣安全使用與操作故障[2]。

第二類為電磁轉(zhuǎn)換干擾。電磁轉(zhuǎn)換干擾的關(guān)鍵形成來源就是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備。在現(xiàn)階段的電網(wǎng)體系組成結(jié)構(gòu)中，通常都會存在種類較為復(fù)雜的電網(wǎng)元件設(shè)備。從目前的狀況來看，共模干擾與差模干擾都屬于較為典型的外部性電磁干擾來源。電流在系統(tǒng)內(nèi)部快速流動時，系統(tǒng)接地線與系統(tǒng)零線火線就會頻繁出現(xiàn)噪聲。此外，系統(tǒng)零線以及系統(tǒng)火線也會由于電流存在進(jìn)而導(dǎo)致噪聲。

第三類為靜電放電干擾。ESD也可稱為靜電放電干擾，該電磁干擾的誘發(fā)因素就是帶有放電性的開關(guān)電源。開關(guān)電源在頻繁接收靜電的情形下，開關(guān)電源范圍內(nèi)的MOS部件就會遭到明顯威脅，進(jìn)而造成了靜電擊穿元器件的后果。并且，局部性的開關(guān)系統(tǒng)持續(xù)散熱現(xiàn)象也會減損雙極晶體管的安全使用壽命，損壞系統(tǒng)中的數(shù)字電路。系統(tǒng)操作人員在錯誤實施開關(guān)操作時，開關(guān)電源的設(shè)計使用期限就會被顯著縮短[3]。電源干擾的常見種類包含頻率偏移、諧波失真、雷擊或者其他自然因素導(dǎo)致系統(tǒng)瞬變、浪涌沖擊或者失電現(xiàn)象等。開關(guān)電源的外部干擾可能會表現(xiàn)為差模或者共模2 種形式，某些干擾波持續(xù)較短的時間，但是另一些干擾波卻會持續(xù)較長時間。

2.2 系統(tǒng)內(nèi)部因素

從開關(guān)電源的系統(tǒng)內(nèi)部體系組成結(jié)構(gòu)來講，電源系統(tǒng)中的逆變器、整流器與變壓器都有可能導(dǎo)致電磁干擾。作為非線性的開關(guān)電源內(nèi)部組成元件，系統(tǒng)整流器有可能會包括高次諧波或者正弦半波，進(jìn)而導(dǎo)致了頻率較高的磁場浪涌現(xiàn)象產(chǎn)生，或者導(dǎo)致整個電場受到強度較高的諧波干擾與侵害。電磁干擾如果是由系統(tǒng)整流器發(fā)出，那么該類型的電磁干擾普遍表現(xiàn)出脈動性、持續(xù)性與瞬時變化等特性[4]。在很多情況下，包括銅線圈與鐵氧體磁芯的變壓器裝置設(shè)備也會誘發(fā)系統(tǒng)電磁干擾，同時還會伴有熱噪聲的現(xiàn)象。

系統(tǒng)逆變器在遇到系統(tǒng)內(nèi)部諧波明顯增強導(dǎo)致的影響時，會頻繁發(fā)生電磁干擾。逆變器開關(guān)通常比較容易形成頻率較高的浪涌噪聲，根源主要在于二極管以及系統(tǒng)分布電容的電荷存儲量產(chǎn)生了改變。例如對高頻的1MHz 開關(guān)電源系統(tǒng)來講，系統(tǒng)電磁干擾將會由于諧波增加而頻繁發(fā)生，因此有必要將傳統(tǒng)開關(guān)元件替換為諧振開關(guān)[5]。

對開關(guān)電源來講，全面消除電磁干擾的關(guān)鍵思路在于濾除共模干擾以及差模干擾信號，因此需要借助于電容器以及儲能電感（分別用符號C 與L 表示）來共同組成系統(tǒng)濾波電路。圖1 為輸入輸出濾波器的開關(guān)電源電路組成結(jié)構(gòu)圖，其中的電感線圈應(yīng)當(dāng)包括可以抑制自諧振頻率的分布電容， RC 緩沖器應(yīng)當(dāng)并聯(lián)安裝于二極管的位置。在合理優(yōu)化開關(guān)電源濾波設(shè)計模式過程中，主要運用L1、L2、C1來表示串模噪聲的濾除程度，并且運用L3、L4、C2與C3來代表共模噪聲的濾除程度。

圖1 輸入輸出濾波器的開關(guān)電源電路組成結(jié)構(gòu)

3 消除開關(guān)電源電磁干擾的重要作用

在目前的狀況下，各種類型的自動控制系統(tǒng)、外圍性的網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)備、家用電器都必須配備開關(guān)電源裝置。處于高頻運行中的系統(tǒng)開關(guān)電源將會流經(jīng)高強度的系統(tǒng)電流，同時還需要承受波動變化較為頻繁的系統(tǒng)電壓。開關(guān)電源系統(tǒng)由于受到以上多個層面因素的影響，會產(chǎn)生電磁干擾。電磁干擾信號本身具有幅度較大以及頻率范圍較廣的特性，客觀上將會明顯影響電氣元件的安全使用，也會污染電網(wǎng)環(huán)境[6]。

電磁干擾因素本身具備普遍存在的特性，電磁干擾波不易被察覺，但是多種媒介載體都可能發(fā)出特定頻率與強度的電磁波。EMC 標(biāo)準(zhǔn)是通用性的設(shè)計開關(guān)電源檢測技術(shù)指標(biāo)，該技術(shù)指標(biāo)必須要得到開關(guān)設(shè)計人員的認(rèn)可。只有從根源上成功抑制電磁干擾，系統(tǒng)運行的環(huán)境空間才能杜絕電磁污染，有利于開關(guān)電源的安全使用。從以上角度來講，準(zhǔn)確地判斷產(chǎn)生電磁干擾的根源，旨在全面消除干擾波危及開關(guān)電源安全的因素，延長開關(guān)電源的正常使用期限。

例如對反激式的開關(guān)電源而言，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建LISN 的導(dǎo)電回路，進(jìn)而精確測量線路電阻值。CW1～CW6 的變壓器內(nèi)部寄生電容可能會產(chǎn)生騷擾電流，運行中的開關(guān)管（運用字母Q 表示）可能會形成騷擾電流（運用字母i表示），進(jìn)而得到公式。

式中：i為騷擾電流；CW1、CW2分別為2 個變壓器的內(nèi)部寄生電容；U1為變壓器的系統(tǒng)電壓變化；T為時間參數(shù)。作為變壓器的CW1與CW2都會產(chǎn)生寄生電容，并且開關(guān)管也會形成漏源電壓。

表1 為經(jīng)過技術(shù)整改后的開關(guān)電源系統(tǒng)測試結(jié)果。

表1 開關(guān)電源的電磁干擾測試結(jié)果對比

4 開關(guān)電源電磁干擾的解決措施

4.1 增設(shè)系統(tǒng)濾波器

靜電放電因素、電磁轉(zhuǎn)換因素都可以使用系統(tǒng)濾波器來進(jìn)行消除?，F(xiàn)階段的系統(tǒng)濾波器常見種類包括源濾波器以及無源濾波器。濾波器的作用是濾除外界的干擾波，濾波器可以起到共模濾波以及差模濾波的作用，使系統(tǒng)濾波器在最大限度內(nèi)達(dá)到濾除系統(tǒng)諧波污染的目標(biāo)[7]。來自于開關(guān)電源內(nèi)部或者電源系統(tǒng)外部的2 種類型電磁干擾都必須得到重視，如果沒有及時判斷與處理電磁干擾波，那么更多的電磁波將會進(jìn)入系統(tǒng)運行空間，從而增加電網(wǎng)污染概率，導(dǎo)致運行事故。

4.1.1 無源濾波器

無源濾波器目前已經(jīng)得到普遍的推廣使用，無源濾波器具有購買成本較低以及元件數(shù)目較少的優(yōu)勢特征，確保將扼流圈加入電源系統(tǒng)內(nèi)部。但是無源濾波器由于受到扼流圈的影響，那么客觀上將會增加濾波器的裝置體積。近些年以來，系統(tǒng)設(shè)計人員已經(jīng)可以靈活選擇印制電路板類型或者信號線類型的電源濾波器，從而取代了系統(tǒng)濾波器的傳統(tǒng)規(guī)格型號。

4.1.2 有源濾波器

有源濾波器的顯著技術(shù)優(yōu)點體現(xiàn)在濾波電容得到合理控制，旨在全面優(yōu)化與改善現(xiàn)有的系統(tǒng)干擾波濾除操作效果。在多數(shù)情況下，系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)將有源濾波器加入適當(dāng)區(qū)域范圍內(nèi)，或者借助于發(fā)射極的回路控制作用來完成系統(tǒng)濾波操作。系統(tǒng)設(shè)計人員通過科學(xué)的方法優(yōu)化改進(jìn)原有濾波器，客觀上將會達(dá)到明顯縮小紋波的效果，有益于合理控制與縮減電容體積。但是從現(xiàn)狀來看，功率與電壓較高的電源系統(tǒng)并不適合選擇以上有源濾波器。

4.2 布置電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)

電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)重點在于消除外界電磁干擾，尤其是對電磁脈沖干擾可以進(jìn)行全面的屏蔽操作處理。因此，布設(shè)電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)要點就是保證網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的均勻性，避免遺漏外界電磁干擾波。如果要在根本上抑制擴(kuò)散性的系統(tǒng)電磁波，就要合理布置整體的屏蔽層。系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)正確搭配選擇具備優(yōu)良導(dǎo)電特性的屏蔽層組成材料，妥善處理輸出與輸入的系統(tǒng)電線部位，保證接縫部位的屏蔽層堅固安全性能達(dá)標(biāo)。電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了非常關(guān)鍵的干擾波屏蔽網(wǎng)絡(luò)，開關(guān)電源系統(tǒng)由于具備了電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)層，因此能夠明顯消除與降低諧波干擾的侵害。在優(yōu)化設(shè)計電磁屏蔽網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)時，系統(tǒng)設(shè)計人員必須要全面關(guān)注于電磁波的屏蔽區(qū)域部位，旨在合理分配各個區(qū)域部位的電磁波，確保達(dá)到均衡分配電磁波強度的目標(biāo)。在目前的情況下，開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計人員重點應(yīng)當(dāng)選擇電感器、變壓器或者功率器件用于布置電磁屏蔽結(jié)構(gòu)層，同時還需要借助于鐵板與銅板來優(yōu)化系統(tǒng)屏蔽處理效果，確保實現(xiàn)了衰減電磁波的效應(yīng)[8]。

系統(tǒng)電磁波不僅存在明顯干擾性，而且還會表現(xiàn)為向外蔓延與擴(kuò)散的趨向。為了在根源上控制與消除電磁泄漏的安全隱患風(fēng)險，技術(shù)人員必須要著眼于系統(tǒng)散熱性的合理優(yōu)化。因此首先將220V 電源輸入電壓誤差控制在 10%以內(nèi)，運用兩路輸出電壓的方式，確保達(dá)到5V/2A 以及24V/0.5A 的輸出電壓最小限度標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)將系統(tǒng)總功率確定在 20W 左右。

4.3 優(yōu)先選擇性能較好的諧振開關(guān)元件

諧振開關(guān)具有使系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要功能，因此需要得到企業(yè)技術(shù)人員重視。在選擇諧振開關(guān)的型號種類時，關(guān)鍵在于將開關(guān)損耗比例限定在最小范圍內(nèi)。該文還介紹了干擾對抗群脈沖的FTS 專用浪涌吸收器，該類型的浪涌吸收設(shè)備元件具有優(yōu)良的浪涌吸收強度、良好的系統(tǒng)耐壓程度以及較快的運行響應(yīng)速度。

系統(tǒng)設(shè)計人員必須要密切監(jiān)測分布電容以及分布電感導(dǎo)致的系統(tǒng)諧波振蕩現(xiàn)象，切實保證諧振開關(guān)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[9]。為了彌補開關(guān)損耗過高的缺陷，那么系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確監(jiān)測與控制開關(guān)損耗比例。在必要時，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將光電隔離器布置在系統(tǒng)控制電路以及系統(tǒng)主電路的連接部位，進(jìn)而確保達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)控制效果，抑制逐漸衰減的電磁波。具有吸收雷擊浪涌功能的LSA 吸收器要將系統(tǒng)響應(yīng)速度控制在納秒級別，吸收浪涌電流最大強度達(dá)到 3000A 以上。光電隔離器具有防止諧波紊亂現(xiàn)象的重要功能。電源模塊中的公共接地點可以設(shè)計為1 腳，供電端設(shè)計為2 腳，電源供電覆蓋范圍控制為 5 腳。系統(tǒng)電路電壓在超出15V 時，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確識別振蕩開關(guān)實時的變壓器信號，確保開關(guān)電壓限定在100kHz 以內(nèi)。如果2 腳電壓沒有達(dá)到10V 的標(biāo)準(zhǔn)，則需要關(guān)閉芯片欠壓。

在抑制反激式的系統(tǒng)開關(guān)電源干擾過程中，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建EMI 模型，經(jīng)由對比測試來判斷確認(rèn)開關(guān)電源的外部干擾強度。在變壓裝置初級以及次級中間增加電容，能夠準(zhǔn)確判斷回流路徑，如圖2 所示。因此如果能夠整體減少系統(tǒng)耦合電容容量，那么將會達(dá)到抑制騷擾電流的效果。在設(shè)計系統(tǒng)時，技術(shù)人員須將系統(tǒng)功率因數(shù)控制在0.9 以上，降低諧波畸變的概率。如果THD 值小于10%，則系統(tǒng)諧波畸變范圍頻率較低。系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)該使校正處理后的系統(tǒng)功率因數(shù)保持在270V～330V，充分確保了穩(wěn)定性較高的系統(tǒng)輸出電壓數(shù)值。

圖2 變壓器初級與次級之間增加電容得到的波形圖

4.4 設(shè)置保護(hù)性接地系統(tǒng)

保護(hù)接地技術(shù)的本質(zhì)在于連接各種接地體與金屬外殼部件，徹底消除人員觸電造成傷害的安全隱患。廣播電視傳輸系統(tǒng)內(nèi)的各種電氣設(shè)備都需要配備電氣金屬外殼，但是電氣金屬外殼在長期磨損與腐蝕的情況下容易損壞，性能老化的電氣絕緣外殼可能會出現(xiàn)電流泄漏現(xiàn)象。保護(hù)接地技術(shù)重點針對存在老化與腐蝕安全風(fēng)險的金屬外殼部位，通過設(shè)置保護(hù)性的接地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來預(yù)防事故發(fā)生。

例如要準(zhǔn)確計算封閉母線系統(tǒng)中的電磁干擾強度，首先針對母線中的剩余電流，應(yīng)當(dāng)模擬短路狀態(tài)下的強度，然后計算出母線外殼的磁場最大強度的數(shù)據(jù)。在防電磁干擾的現(xiàn)行技術(shù)指標(biāo)規(guī)定下，應(yīng)當(dāng)計算出最小的母線磁場允許間隔距離。進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)據(jù)校驗操作，最終可以得到母線分布的內(nèi)在規(guī)律，確保母線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的長期平穩(wěn)與安全運行。

表2 為電磁干擾的常見產(chǎn)生根源以及解決控制對策。

表2 電磁干擾的常見產(chǎn)生根源以及解決技術(shù)手段

5 結(jié)語

經(jīng)過分析，電磁干擾問題是影響開關(guān)電源正常使用的重要風(fēng)險因素。電磁干擾現(xiàn)象如果沒有得到徹底消除，那么可能會縮短電源的正常使用壽命，甚至還會造成開關(guān)電源失靈等不良后果。在處理電磁干擾的過程中，技術(shù)人員目前可以選擇布置電磁屏蔽層、增設(shè)系統(tǒng)諧振開關(guān)、布置有源濾波器等專業(yè)技術(shù)手段，旨在全面控制電磁干擾影響，保證開關(guān)電源系統(tǒng)的可靠安全運行。