电磁兼容原理和抑制技术(十五)
2010-07-08 10:44:30
来源：《磁性元件与电源》2010年7月刊
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5 EMI电源滤波器的防护设计
5.1 电网的电源干扰
现代电子，电气设备的正常工作离不开电源。这里的电源是指利用电能变换技术将市电电网或电池等一次性电能转化成适合各种电子、电气设备需要的二次电能的一种系统或装置。它经常受到来自电网的电磁干扰，往往通过电源线或地线传导到电子、电气设备的内部，导致电子、电气设备的性能下降甚至失效，这个过程称之为传导干扰中的敏感性(EMS)。对于开关类电源（含逆变器）它同时又是一个干扰源，会对使用同一电网的周边设备产生干扰，它通过电源线或地线传导到其他电子、电气设备的内部，导致电子、电气设备的性能下降甚至失效。这个过程称之为传导干扰中的电磁干扰(EMI)。
（美）IBM公司的一项研究表明：一台普通计算机装置每月都会遭受120多次电源干扰，它包括停电、电压不稳、尖峰信号、浪涌和线路噪声等。美国Contingency Planning Research公司同样的一项研究也表明电源问题是造成美国45%以上的计算机装置丢失数据和发生故障的根本原因。IBM公司进一步对电源干扰的统计数据进行分析，其结果用图5.1表示。其中脉冲干扰占39.5%，振荡瞬变占49%，这两项共占88.5%，是电源干扰的主要成分。其余电压跌落占11%，失电占0.5%。
电网中的负载切换、电网切换或其他各种故障都会使电网发生瞬变过程产生脉冲噪声，它通常也称瞬变噪声，其波形是一系列的单个脉冲或脉冲束。高压电网和低压电网产生的脉冲噪声有所不同，高压电网瞬变电压的波形多为重复性振荡脉冲，振荡频率为5kHz~10MHz，每个脉冲宽度50s以内，脉冲重复频率为1~100次/秒，尖峰电压为200V~3000V，有效电流在50A以内，整个瞬变过程衰减较慢约为几秒。低压电网瞬变电压的波形多为不规则的正、负脉冲，偶尔有振荡脉冲，振荡频率高达20MHz，脉冲前沿徒，上升时间可达5ns，有效电流在100A以内，尖峰电压为100V~10kV，其中以断开感性负载时所产生的脉冲噪声前沿最陡，尖峰电压最高，危害也最大。
人们又将其中持续时间>8.4ms的瞬变电压定义为浪涌。
5.2 开关电源的干扰
由于在体积、重量、效率三个方面具有传统线性电源无可比拟的优点，发展异常迅速，已广泛应用于各个领域。特别是现代新型开关器件IGBT等的出现，它们是一种能快速动作和自关断的新型电力电子器件，大大提高了工作效率，可进一步实现Buck全桥、Boost全桥和半桥软开关DC/DC变换器。因此广泛应用于逆变器、UPS、AC/DC、DC/DC开关稳压电源及功率集成电路中。但遗憾的是此类非线性电源所产生的谐波干扰使整个电网的谐波污染状况愈来愈严重，特别对通信系统和计算机系统等有较大影响。典型的开关电源干扰频谱能量分布如图5.2所示。
开关电源的干扰来源：
1)开关电源的大功率开关管工作在高压大电流的切换状态，由导通切换为关断状态时形成浪涌电压，或由关断切换为导通状态时形成浪涌电流，它们的高次谐波成分通过向空间发射或通过电源线的传导构成干扰源。
2)由关断切换为导通状态时，开关变压器副方的整流二极管受反向恢复特性的限制，产生尖峰状的反向电流，加上电路分布参数和寄生谐振的作用，通常形成阻尼正弦振荡，也含有大量的谐波成分，构成干扰。
传导干扰的极限值在国标中可参考有关的电磁兼容规范（GB9254-1988、GB6833.9-87、GB6833.4-87、GB6833.6-87）等。
5.3 开关电源的噪声模型
在GB4365-1995电磁兼容术语中关于电磁噪声的定义：一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合；关于电磁干扰：由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。显然电磁噪声是泛指的无用信号，而电磁干扰是指引起设备、传输通道或系统性能下降的那一部分电磁噪声。因此分析问题时，应先从基础的电磁噪声入手然后再分析其中的电磁干扰成分，最后采取必要的防护措施，如采用电源滤波器。在离线状态时电源滤波器所要求的性能很大程度上取决于开关电源输入端（滤波器输出端）的噪声源阻抗，因为滤波器输入端的人工电源网络LISN（又称电源阻抗稳定网络）的等效电路是已知的，而开关电源噪声源的等效电路尚待探讨。
5.3.1 开关电源的噪声分类
开关电源与交流电网连接的框图如图5.3表示。尽管开关电源的噪声源是一个单端口网络，但具有相线(L)、中线(N)和地线(E)的开关电源实际上形成两个AC端口，所以噪声源在实际分析时可将其分解为共模和差模噪声源。
图示共模电流ICM的特征是以相同幅度、相位往返于任一AC线(L、N)与地线之间的噪声电流。差模电流IDM 特征是往返于相线和中线之间且相位相反的噪声电流。相线和中线上的总电流是共模和差模分量之和。
5.3.2 共模噪声的等效电路
典型的开关电源共模噪声发射路径的电原理图如图5.4表示。当开关管处在关断状态时，原开关管在导通状态时，开关变压器分布电感（漏感等）储存的能量，会与开关管集电极与地之间的分布电容进行能量交换，产生衰减振荡，导致开关管集电极与发射极之间的电压迅速上升达500伏左右。这个按开关频率工作的脉冲束电流经集电极与地之间的分布电容返回任一AC线。分布电容包含两条支路，开关管外壳和其散热器之间（如接地）的分布电容和开关变压器原副方之间的分布电容（副方按典型电路接地）。若开关电源噪声源用诺顿等效电路(Norton)表示，则谐振测量的原理电路如图5.5(a)所示。图中LP表示变压器的分布电感，CP 表示开关管集电极与地之间的分布电容，RP表示噪声源的等效内阻，ISN表示噪声源的短路电流。
为了求得噪声源等效电路的具体参数，可以采用理论推导的方法。但其中分布电感LP、分布电容CP、和噪声源等效内阻RP要人为假定。另一种方法采用阻抗测量法测量电源内噪声源具体的LP、CP、RP 参数，只要我们选择的各类电源有足够的代表性，那么就可测得LP、CP、RP的一个变化范围，供给工程设计人员具体参考。下面重点介绍一种专有的阻抗测量法。目前一般现有的（复）阻抗测试装置难以实现，因为：
1. 没有EMI电源滤波器的开关电源在AC输入端口的噪声很大（见图5.2）。
2. 开关电源AC输入端口的阻抗是整流二级管导通状态的函数，会受整流二级管导通状态的影响。
所以，采用常规的注入信号方法或矢量电压测量方法（在AC工作条件下）等阻抗测试技术，均不能正确描述噪声源的特性。
为此开发了一种新的测量技术——谐振法（类似Q表）。原理如下：
为了测量开关电源噪声源等效电路的参数，在其前端并入开关S1和可调负载电感L1，见图5.5(a)。如果将频谱分析仪的宽频电流探头插入源和和负载之间，则当S1关闭时，电流探头便可测得噪声源流经S1的短路电流ISN。当S1打开，调整L1使整个回路谐振时，电流探头可测得流过L的谐振电流IL，注意这里L是L1和LP的等效电感，并等效为图5.5(b)所示的并联谐振电路。其Q值为：
Q=|IL| / |ISN| (5.1)
式中 Q — 谐振回路品质因素。
又因为
Q=ω0L / R = I / ω0CR (5.2)
式中 ω0 — 谐振源频率；Hz
L、C — 回路的等效电感和等效电容；F
R — 回路等效电阻。Ω
若已知ω0、L、Q值，R值便可算得。由此可进一步推论，若调整可调电感L1可实现整个回路谐振，则可确定噪声源为容性，其值可由式(2)算得；若噪声源为感性，图5.5(a)中的负载应改为开关S1和可调电容C1，同样当调整C1使整个回路谐振时，便可由式(2)算得噪声源的等效电感值。以上便是用谐振法实测噪声源等效参数的基本原理。
但图5.5(a)所示的谐振法和图5.5(b)所示的并联谐振电路是有所区别的，前者并入了负载电感（或电容）。它是否是纯电感（或纯电容），或是否在所关心的频段内是纯电感（或纯电容），否则它的损耗将会影响测量的精度。实际证明只要谐振回路的Q值足够高，就不会影响式(2)的计算结果，这个Q值应≥3。
5.3.3 共模噪声的测试电路
实际采用的共模噪声测试电路如图5.6(a)所示。图中噪声源前端的两路线对地开关均由5Ω电阻与4F电容串联构成，它们只在测量短路电流ISN时才接入。两路负载电感L1A、L1B的接地分别由两路旁路电容完成。噪声的提取由图示的共模电流探头完成，探头线圈的两路原方给谐振电流提供两条通路，最后由接地的副方提取总的谐振电流供频谱分析仪测量。探头线圈原方两个输入端之间的0.5F电容是为了将开关电源的相线L和中线N并联，因为噪声源实际上是单端口的。共模噪声测试电路的等效电路如图5.6(b)所示。
为了提高测量的分辨率和精度，调谐元件改为已校准的可变电容，它应该并在开关电源L、N线与地之间。当精确调整可变电容在某个频率点上谐振时，它所显示的电容值减去在同一频率点用式(2)算出的电容值，所剩差值就是噪声源的实际等效电容值C'P。而噪声源的实际源阻抗R'P应是用式(2)在同一频率点算出的RP值减去负载电阻和可变电容中的电导。
下面对四个有代表性的开关电源进行实测。其中第一、第二个开关电源采用封闭结构，电路由单板完成输入，逆变和输出功能，它们的额定输出功率分别为300W和150W；第三、第四个开关电源采用开放结构，额定输出功率分别为200W和116W。
共模噪声源等效电容与频率相关的特性曲线和等效电阻与频率相关的特性曲线分别见图5.7和图5.8。
最后归纳所得的共模噪声源模型如图5.9所示。至少在低于500kHz 时，C'P的典型值在500~3000pF范围，R'P>10kΩ。
5.1 电网的电源干扰
现代电子，电气设备的正常工作离不开电源。这里的电源是指利用电能变换技术将市电电网或电池等一次性电能转化成适合各种电子、电气设备需要的二次电能的一种系统或装置。它经常受到来自电网的电磁干扰，往往通过电源线或地线传导到电子、电气设备的内部，导致电子、电气设备的性能下降甚至失效，这个过程称之为传导干扰中的敏感性(EMS)。对于开关类电源（含逆变器）它同时又是一个干扰源，会对使用同一电网的周边设备产生干扰，它通过电源线或地线传导到其他电子、电气设备的内部，导致电子、电气设备的性能下降甚至失效。这个过程称之为传导干扰中的电磁干扰(EMI)。
（美）IBM公司的一项研究表明：一台普通计算机装置每月都会遭受120多次电源干扰，它包括停电、电压不稳、尖峰信号、浪涌和线路噪声等。美国Contingency Planning Research公司同样的一项研究也表明电源问题是造成美国45%以上的计算机装置丢失数据和发生故障的根本原因。IBM公司进一步对电源干扰的统计数据进行分析，其结果用图5.1表示。其中脉冲干扰占39.5%，振荡瞬变占49%，这两项共占88.5%，是电源干扰的主要成分。其余电压跌落占11%，失电占0.5%。
电网中的负载切换、电网切换或其他各种故障都会使电网发生瞬变过程产生脉冲噪声，它通常也称瞬变噪声，其波形是一系列的单个脉冲或脉冲束。高压电网和低压电网产生的脉冲噪声有所不同，高压电网瞬变电压的波形多为重复性振荡脉冲，振荡频率为5kHz~10MHz，每个脉冲宽度50s以内，脉冲重复频率为1~100次/秒，尖峰电压为200V~3000V，有效电流在50A以内，整个瞬变过程衰减较慢约为几秒。低压电网瞬变电压的波形多为不规则的正、负脉冲，偶尔有振荡脉冲，振荡频率高达20MHz，脉冲前沿徒，上升时间可达5ns，有效电流在100A以内，尖峰电压为100V~10kV，其中以断开感性负载时所产生的脉冲噪声前沿最陡，尖峰电压最高，危害也最大。
人们又将其中持续时间>8.4ms的瞬变电压定义为浪涌。
5.2 开关电源的干扰
由于在体积、重量、效率三个方面具有传统线性电源无可比拟的优点，发展异常迅速，已广泛应用于各个领域。特别是现代新型开关器件IGBT等的出现，它们是一种能快速动作和自关断的新型电力电子器件，大大提高了工作效率，可进一步实现Buck全桥、Boost全桥和半桥软开关DC/DC变换器。因此广泛应用于逆变器、UPS、AC/DC、DC/DC开关稳压电源及功率集成电路中。但遗憾的是此类非线性电源所产生的谐波干扰使整个电网的谐波污染状况愈来愈严重，特别对通信系统和计算机系统等有较大影响。典型的开关电源干扰频谱能量分布如图5.2所示。
开关电源的干扰来源：
1)开关电源的大功率开关管工作在高压大电流的切换状态，由导通切换为关断状态时形成浪涌电压，或由关断切换为导通状态时形成浪涌电流，它们的高次谐波成分通过向空间发射或通过电源线的传导构成干扰源。
2)由关断切换为导通状态时，开关变压器副方的整流二极管受反向恢复特性的限制，产生尖峰状的反向电流，加上电路分布参数和寄生谐振的作用，通常形成阻尼正弦振荡，也含有大量的谐波成分，构成干扰。
传导干扰的极限值在国标中可参考有关的电磁兼容规范（GB9254-1988、GB6833.9-87、GB6833.4-87、GB6833.6-87）等。
5.3 开关电源的噪声模型
在GB4365-1995电磁兼容术语中关于电磁噪声的定义：一种明显不传送信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合；关于电磁干扰：由电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。显然电磁噪声是泛指的无用信号，而电磁干扰是指引起设备、传输通道或系统性能下降的那一部分电磁噪声。因此分析问题时，应先从基础的电磁噪声入手然后再分析其中的电磁干扰成分，最后采取必要的防护措施，如采用电源滤波器。在离线状态时电源滤波器所要求的性能很大程度上取决于开关电源输入端（滤波器输出端）的噪声源阻抗，因为滤波器输入端的人工电源网络LISN（又称电源阻抗稳定网络）的等效电路是已知的，而开关电源噪声源的等效电路尚待探讨。
5.3.1 开关电源的噪声分类
开关电源与交流电网连接的框图如图5.3表示。尽管开关电源的噪声源是一个单端口网络，但具有相线(L)、中线(N)和地线(E)的开关电源实际上形成两个AC端口，所以噪声源在实际分析时可将其分解为共模和差模噪声源。
图示共模电流ICM的特征是以相同幅度、相位往返于任一AC线(L、N)与地线之间的噪声电流。差模电流IDM 特征是往返于相线和中线之间且相位相反的噪声电流。相线和中线上的总电流是共模和差模分量之和。
5.3.2 共模噪声的等效电路
典型的开关电源共模噪声发射路径的电原理图如图5.4表示。当开关管处在关断状态时，原开关管在导通状态时，开关变压器分布电感（漏感等）储存的能量，会与开关管集电极与地之间的分布电容进行能量交换，产生衰减振荡，导致开关管集电极与发射极之间的电压迅速上升达500伏左右。这个按开关频率工作的脉冲束电流经集电极与地之间的分布电容返回任一AC线。分布电容包含两条支路，开关管外壳和其散热器之间（如接地）的分布电容和开关变压器原副方之间的分布电容（副方按典型电路接地）。若开关电源噪声源用诺顿等效电路(Norton)表示，则谐振测量的原理电路如图5.5(a)所示。图中LP表示变压器的分布电感，CP 表示开关管集电极与地之间的分布电容，RP表示噪声源的等效内阻，ISN表示噪声源的短路电流。
为了求得噪声源等效电路的具体参数，可以采用理论推导的方法。但其中分布电感LP、分布电容CP、和噪声源等效内阻RP要人为假定。另一种方法采用阻抗测量法测量电源内噪声源具体的LP、CP、RP 参数，只要我们选择的各类电源有足够的代表性，那么就可测得LP、CP、RP的一个变化范围，供给工程设计人员具体参考。下面重点介绍一种专有的阻抗测量法。目前一般现有的（复）阻抗测试装置难以实现，因为：
1. 没有EMI电源滤波器的开关电源在AC输入端口的噪声很大（见图5.2）。
2. 开关电源AC输入端口的阻抗是整流二级管导通状态的函数，会受整流二级管导通状态的影响。
所以，采用常规的注入信号方法或矢量电压测量方法（在AC工作条件下）等阻抗测试技术，均不能正确描述噪声源的特性。
为此开发了一种新的测量技术——谐振法（类似Q表）。原理如下：
为了测量开关电源噪声源等效电路的参数，在其前端并入开关S1和可调负载电感L1，见图5.5(a)。如果将频谱分析仪的宽频电流探头插入源和和负载之间，则当S1关闭时，电流探头便可测得噪声源流经S1的短路电流ISN。当S1打开，调整L1使整个回路谐振时，电流探头可测得流过L的谐振电流IL，注意这里L是L1和LP的等效电感，并等效为图5.5(b)所示的并联谐振电路。其Q值为：
Q=|IL| / |ISN| (5.1)
式中 Q — 谐振回路品质因素。
又因为
Q=ω0L / R = I / ω0CR (5.2)
式中 ω0 — 谐振源频率；Hz
L、C — 回路的等效电感和等效电容；F
R — 回路等效电阻。Ω
若已知ω0、L、Q值，R值便可算得。由此可进一步推论，若调整可调电感L1可实现整个回路谐振，则可确定噪声源为容性，其值可由式(2)算得；若噪声源为感性，图5.5(a)中的负载应改为开关S1和可调电容C1，同样当调整C1使整个回路谐振时，便可由式(2)算得噪声源的等效电感值。以上便是用谐振法实测噪声源等效参数的基本原理。
但图5.5(a)所示的谐振法和图5.5(b)所示的并联谐振电路是有所区别的，前者并入了负载电感（或电容）。它是否是纯电感（或纯电容），或是否在所关心的频段内是纯电感（或纯电容），否则它的损耗将会影响测量的精度。实际证明只要谐振回路的Q值足够高，就不会影响式(2)的计算结果，这个Q值应≥3。
5.3.3 共模噪声的测试电路
实际采用的共模噪声测试电路如图5.6(a)所示。图中噪声源前端的两路线对地开关均由5Ω电阻与4F电容串联构成，它们只在测量短路电流ISN时才接入。两路负载电感L1A、L1B的接地分别由两路旁路电容完成。噪声的提取由图示的共模电流探头完成，探头线圈的两路原方给谐振电流提供两条通路，最后由接地的副方提取总的谐振电流供频谱分析仪测量。探头线圈原方两个输入端之间的0.5F电容是为了将开关电源的相线L和中线N并联，因为噪声源实际上是单端口的。共模噪声测试电路的等效电路如图5.6(b)所示。
为了提高测量的分辨率和精度，调谐元件改为已校准的可变电容，它应该并在开关电源L、N线与地之间。当精确调整可变电容在某个频率点上谐振时，它所显示的电容值减去在同一频率点用式(2)算出的电容值，所剩差值就是噪声源的实际等效电容值C'P。而噪声源的实际源阻抗R'P应是用式(2)在同一频率点算出的RP值减去负载电阻和可变电容中的电导。
下面对四个有代表性的开关电源进行实测。其中第一、第二个开关电源采用封闭结构，电路由单板完成输入，逆变和输出功能，它们的额定输出功率分别为300W和150W；第三、第四个开关电源采用开放结构，额定输出功率分别为200W和116W。
共模噪声源等效电容与频率相关的特性曲线和等效电阻与频率相关的特性曲线分别见图5.7和图5.8。
最后归纳所得的共模噪声源模型如图5.9所示。至少在低于500kHz 时，C'P的典型值在500~3000pF范围，R'P>10kΩ。
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