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交流稳压电源的电磁兼容

张庆军| 电磁兼容,电磁干扰| 2010-11-22
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【中心议题】

  • 分析了交流稳压电源存在的内外部电磁干扰情况
  • 介绍了电磁兼容性的相关研究及其它抑制干扰的方法

【解决方案】

  • 接地、屏蔽、滤波
  • 正确选用无源元件
  • 平衡措施等电路技术

当前,随着科学技术的发展,技术含量高、内部结构复杂的电工、电子产品得到日益广泛应用。而电磁干扰致使电工、电子产品的性能下降,无法工作的现象也经常发生,严重的可造成质量事故和设备损坏以及其它损失。并且这个发展过程仍以日益增长的速度持续着。交流稳压电源的广泛应用和发展,必然导致它们在其周围空间产生的电磁场电平的不断增加。也就是说,交流稳压电源不可避免地在电磁环境(EME)中工作。

因此,必须解决交流稳压电源在电磁环境中的适应能力。电磁兼容性(EMC)是一门关于抗电磁干扰(EMI)影响的科学。目前,就世界范围来说,电磁兼容性问题已经形成一门新的学科。电磁兼容的中心课题是研究控制和消除电磁干扰,使交流稳压电源系统与其它设备联系在一起工作时,不引起设备或系统的任何部分的工作性能的恶化或降低。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量,又应该不受任何不希望有的能量的影响。

1电磁干扰源

电磁干扰是影响交流稳压电源电磁兼容性的主要因素,它是电磁兼容性设计中需要研究的主要内容。

1.1内部干扰

内部干扰是指交流稳压电源内部各元部件之间的相互干扰。首先应使交流稳压电源设备内部的电路互相不产生干扰。由于工作频率比较高,数字电路和模拟电路混合设计的场合愈来愈多,大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成干扰;设备或系统内部某些元件发热,影响元件本身或其它元件的稳定性造成干扰。交流稳压电源产生的电磁干扰强度低于特定的极限值,这对于计算机设备十分重要。计算机设备中的脉冲电流会干扰周围的设备,特别是无线电设备,如不采取有效的抑制辐射措施,计算机会严重影响系统的正常工作。要使设备对外界的电磁干扰有一定的抵抗能力,就必须提高设备在环境中承受周围电磁干扰的能力,具备良好的电磁兼容效能稳定性。

1.2外部干扰

外部干扰是指交流稳压电源外部因素对线路、设备的干扰。

外部的高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统;外部大功率的设备在空间产生很强的磁场,通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统;空间电磁波对电子线路或系统产生的干扰;工作环境温度不稳定,引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰;由工业电网供电的设备和由电网电压通过电源变压器所产生的干扰。

 

2电磁兼容性研究

2.1接地

接地目的有3个:

1)接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位,保证电路系统能稳定工作。

2)防止外界电磁场的干扰。机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放,否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。另外,对于电路的屏蔽体,若选择合适的接地,也可获得良好的屏蔽效果。

3)保证安全工作。当发生直接雷电的电磁感应时,可避免电子设备的毁坏;当工频交流电源的输入电压因绝缘不良或其它原因直接与机壳相通时,可避免操作人员的触电事故发生。此外,很多医疗设备都与病人的人体直接相连,当机壳带有110V220V电压时,将发生致命危险。

因此,接地是抑制噪声防止干扰的主要方法。接地可以理解为一个等电位点或等电位面,是电路或系统的基准电位,但不一定为大地电位。为了防止雷击可能造成的损坏和工作人员的人身安全,电子设备的机壳和机房的金属构件等必须与大地相连接,而且接地电阻一般要很小,不能超过规定值。

接地问题处理办法:

合理“接地”是减少“地”噪声干扰的重要措施,必须予以特别注意。通常不管电源是谁供给,将地线汇集到公共点,然后和系统的公共端接在一起,所有电源1的负载都回到电源1公共端,所有的电源2负载都回到电源2的公共端,最后用一条粗导线将公共端连在一起。在多电源系统中,可能需要进行判断性试验,确定地线接法,以达到最佳的解决方案。

2.2屏蔽

屏蔽就是对两个空间区域之间进行金属的隔离,以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲,就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来,防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来,防止它们受到外界电磁场的影响。

因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量(涡流损耗)、反射能量(电磁波在屏蔽体上的界面反射)和抵消能量(电磁感应在屏蔽层上产生反向电磁场,可抵消部分干扰电磁波)的作用,所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。

3其它抑制干扰方法

1)滤波

滤波是抑制和防止干扰的一项重要措施。滤波器可以显著地减小传导干扰的电平,因为干扰频谱成份不同于有用信号的频率,滤波器对于这些与有用信号频率不同的成份有良好的抑制能力,从而起到其它干扰抑制难以起到的作用。所以,采用滤波网络无论是抑制干扰源和消除干扰耦合,或是增强接收设备的抗干扰能力,都是有力措施。用阻容和感容去耦网络能把电路与电源隔离开,消除电路之间的耦合,并避免干扰信号进入电路。对高频电路可采用两个电容器和一个电感器(高频扼流圈)组成的CLCMπ型滤波器。滤波器的种类很多,选择适当的滤波器能消除不希望的耦合。

 

2)正确选用无源元件

实用的无源元件并不是“理想”的,其特性与理想的特性是有差异的。实用的元件本身可能就是一个干扰源,因此正确选用无源元件非常重要。有时也可以利用元件具有的特性进行抑制和防止干扰。

3)电路技术

有时候采用屏蔽后仍不能满足抑制和防止干扰的要求,可以结合屏蔽,采取平衡措施等电路技术。平衡电路是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路,对地或对其它导线都具有相同的阻抗。其目的在于使两根导线所检拾到的干扰信号相等。这时的干扰噪声是一个共态信号,可在负载上自行消失。另外,还可采用其它一些电路技术,例如接点网络,整形电路,积分电路和选通电路等等。总之,采用电路技术也是抑制和防止干扰的重要措施。

近年来,交流稳压电源及电子仪器向着“轻、薄、短、小”和多功能、高性能及成本低方向发展。塑料机箱、塑料部件或面板广泛地应用于交流稳压电源上,于是外界电磁波很容易穿透外壳或面板,对仪器的正常工作产生有害的干扰,而仪器所产生的电磁波,也非常容易辐射到周围空间,影响其它电子仪器的正常工作。为了使这种电子仪器能满足电磁兼容性要求,人们在实践中,研究出塑料金属化处理的工艺方法,如溅射镀锌、真空镀(Al)、电镀或化学镀铜、粘贴金属箔(CuAl)和涂覆导电涂料等。

经过金属化处理之后,使完全绝缘的塑料表面或塑料本身(导电塑料)具有金属那样反射、吸收、传导和衰减电磁波的特性,从而起到屏蔽电磁波干扰的作用。实际应用中,采用导电涂料作屏蔽涂层,性能优良而且价格适宜。在需要屏蔽的地方,做成一个封闭的导电壳体并接地,把内外两种不同的电磁波隔离开。实践表明,若屏蔽材料能达到3040dB以上衰减量的屏蔽效果时,就是实用、可行的。

由于电子技术应用广泛,而且各种干扰设备的辐射很复杂,要完全消除电磁干扰是不可能的。但是,根据电磁兼容性原理,可以采取许多技术措施减小电磁干扰,使电磁干扰控制到一定范围内,从而保证系统或设备的兼容性,例如,通信系统最初设计时,就应该严格进行现场电波测试,有针对性地选择频率及极化方式,避开雷达、移动通信等杂波干扰;高压线选择路径时,应尽量绕开无线电台(站)或充分利用接收地段的地形、地物屏蔽;接收设备与工业干扰源设备适当配置,使接收设备与各种工业干扰源离开一定距离;在微波通信电路设计中,为了减少干扰,可采用天线高低站方式调整微波电路反射点,并利用山头阻挡反射波,使之不能对直射波形成干扰。另外,微波铁塔是独立的高大建筑物,应采用完善的接地、屏蔽等避雷措施。

保证设备的电磁兼容性是一项复杂的技术任务,对于这个问题不存在万能的解决方法。电磁兼容技术涉及面很广,电磁兼容性领域也正在发展,重要的是掌握有关电磁兼容的基本原理,认真分析和试验,就能选择合适的解决问题方法。

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