電源的干擾及其抑制技術(shù)

1、 4.1 電源的干擾及其抑制技術(shù) 供電系統(tǒng)的抗干擾：供電系統(tǒng)的抗干擾：大功率設(shè)備；大感性負(fù)載;電 網(wǎng)電壓大幅度浪涌與下陷(過壓、欠壓和短時間的 尖峰電壓). 穩(wěn)壓電源的抗干擾穩(wěn)壓電源的抗干擾: :直流電源(變壓、整流、濾波、 穩(wěn)壓) 開關(guān)電源的抗干擾開關(guān)電源的抗干擾: : 一、供電系統(tǒng)干擾與抑制一、供電系統(tǒng)干擾與抑制 供電系統(tǒng)干擾主要種類： 電源線中的高頻干擾 供電電力線相當(dāng)于一個接受天線，能把雷電、電弧、廣播電臺等輻射 的高頻干擾信號通過電源變壓器初級耦合到次級，形成對單片機(jī)系統(tǒng) 的干擾； 感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變噪音 切斷大容量感性負(fù)載時，能產(chǎn)生很大的電流和電壓變化率，從而形成 瞬變噪音干擾，成

2、為電磁干擾的主要形式。 晶閘管通斷時的干擾 晶閘管通斷時的電流變化率很大，使得晶閘管在導(dǎo)通瞬間流過一個具 有高次諧波的大電流，在電源阻抗上產(chǎn)生很大的壓降，從而使電網(wǎng)電 壓出現(xiàn)缺口，這種畸變了的電壓波形含有高次諧波，可以向空間輻射 或通過傳導(dǎo)耦合，干擾其它設(shè)備。 交 流 穩(wěn) 壓 器 220 V 交 流 隔 離 變 壓 器 11 低 通 濾 波 器 非 穩(wěn) 壓 直 流 整 流 器 雙 T 濾 波 器 CPU板 A / D板 D / A板RAM板 9 V 18 V 18 V 地 穩(wěn) 壓 塊 單片機(jī)系統(tǒng)的抗干擾供電配置 供電系統(tǒng)供電系統(tǒng)抗干擾措施抗干擾措施： 1 1） 采用交流穩(wěn)壓器采用交流穩(wěn)壓器 交

3、流穩(wěn)壓器用來保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的交流穩(wěn)壓器用來保證供電的穩(wěn)定性，防止電源系統(tǒng)的 過電壓與欠電壓，有利于提高整個系統(tǒng)的可靠性。過電壓與欠電壓，有利于提高整個系統(tǒng)的可靠性。 2 2） 采用隔離變壓器采用隔離變壓器 考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的 互感耦合，而是由初、次級間寄生電容耦合造成的。因此，互感耦合，而是由初、次級間寄生電容耦合造成的。因此， 隔離變壓器的初級和次級之間均用屏蔽層隔離，減少其分布隔離變壓器的初級和次級之間均用屏蔽層隔離，減少其分布 電容，電容， 以提高抗共模干擾的能力以提高抗共模干擾的能力 隔離變壓

4、隔離變壓器器 一般變壓器原、副繞組之間雖也有隔離電路的作用，但 在頻率較高的情況下，兩繞組之間的電容仍會使兩側(cè)電 路之間出現(xiàn)靜電干擾。為避免這種干擾，隔離變壓器的 原、副繞組一般分置于不同的芯柱上，以減小兩者之間 的電容；也有采用原、副繞組同芯放置的，但在繞組之 間加置靜電屏蔽，以獲得高的抗干擾特性。 靜電屏蔽就是在原、副繞組之間設(shè)置一片不閉合的銅 片或非磁性導(dǎo)電紙，稱為屏蔽層。銅片或非磁性導(dǎo)電紙 用導(dǎo)線連接于外殼。有時為了取得更好的屏蔽效果，在 整個變壓器，還罩一個屏蔽外殼。對繞組的引出線端子 也加屏蔽，以防止其他外來的電磁干擾。這樣可使原、 副繞組之間主要只剩磁的耦合，而其間的等值分布電容

5、 可小于0.01pF，從而大大減小原、副繞組間的電容電流， 有效地抑制來自電源以及其他電路的各種干擾。 一 次 繞 組 二 次 繞 組 二 次 繞 組 一 次 繞 組 圖 8-23 電 源 變 壓 器 的 屏 蔽 （a）（b） 3） 采用分散獨(dú)立功能塊供電 在每塊系統(tǒng)功能模塊上用三端穩(wěn)壓集成塊在每塊系統(tǒng)功能模塊上用三端穩(wěn)壓集成塊( (如如78057805、 79057905、 78127812、 79127912等等) )組成穩(wěn)壓電源。組成穩(wěn)壓電源。 每個功能塊單獨(dú)對每個功能塊單獨(dú)對 電壓過載進(jìn)行保護(hù)，不會因某塊穩(wěn)壓電源故障而使整個系統(tǒng)電壓過載進(jìn)行保護(hù)，不會因某塊穩(wěn)壓電源故障而使整個系統(tǒng) 破壞

6、破壞。 4 4） 采用低通濾波器采用低通濾波器 由諧波頻譜分析可知，電源系統(tǒng)的干擾源大由諧波頻譜分析可知，電源系統(tǒng)的干擾源大 部分是高次諧波，部分是高次諧波， 因此采用低通濾波器濾去高次因此采用低通濾波器濾去高次 諧波，諧波， 以改善電源波形。在低壓下，當(dāng)濾波電路以改善電源波形。在低壓下，當(dāng)濾波電路 載有大電流時，宜采用小電感和大電容構(gòu)成濾波載有大電流時，宜采用小電感和大電容構(gòu)成濾波 網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)濾波電路處于高電壓下工作時，網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)濾波電路處于高電壓下工作時， 則應(yīng)采則應(yīng)采 用小電容和允許的最大電感構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)。用小電容和允許的最大電感構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)。 5 5）盡量提高接口器件的電源電壓，提高接

7、口的盡量提高接口器件的電源電壓，提高接口的 抗干擾能力。例如用光耦合器輸出端驅(qū)動直流繼抗干擾能力。例如用光耦合器輸出端驅(qū)動直流繼 電器，選用直流電器，選用直流24V24V繼電器比繼電器比6V6V繼電器效果好。繼電器效果好。 二、穩(wěn)壓電源的抗干擾二、穩(wěn)壓電源的抗干擾 (1)采用低通濾波器 (2)減小電源的輸出阻抗，采用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電源。 (3)隔離變壓器接入電網(wǎng), (4)應(yīng)用系統(tǒng)的供電線路和產(chǎn)生干擾的用電設(shè)設(shè)備 分開供電。 (5)整流組件上并接濾波電容。濾波電容選用 1 000 pF 0.01 F的瓷片電容, 接法參見圖 。 (6)(6)集成電路塊的集成電路塊的VCCVCC加旁路電容加旁路電容

8、集成電路的開關(guān)高速動作時會產(chǎn)生噪聲，因 此無論電源裝置提供的電壓多么穩(wěn)定，VCC 和GND端也會產(chǎn)生噪聲。為了降低集成電路 的開關(guān)噪聲，在印制線路板上的每一塊IC上 都接入高頻特性好的旁路電容，將開關(guān)電流 經(jīng)過的線路局限在板內(nèi)一個極小的范圍內(nèi)。 旁路電容可用0.010.1F的陶瓷電容器， 旁路電容器的引線要短而且緊靠需要旁路的 集成器件的VCC或GND端，否則會毫無意義。 三、開關(guān)電源的抗干擾 1、開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的機(jī)理： 來源于兩部分： （1）來自外部干擾源的噪聲 （2）來自開關(guān)電源本省內(nèi)部電路的噪聲 外部干擾源為電網(wǎng)工業(yè)設(shè)備和無線電發(fā)射引起的 噪聲； 開關(guān)電源本身的噪聲干擾可分為尖峰脈沖干

9、擾和 諧波干擾兩種， 直流開關(guān)電源是一種脈寬調(diào)制型電源，由于 脈沖頻率高達(dá)20kHZ，所以甩掉了傳統(tǒng)的工頻 變壓器，具有體積小、重量輕、效率高（ 70）、電網(wǎng)電壓范圍大（2010） 220V、電網(wǎng)電壓變化時不會輸出過電壓或 欠電壓、輸出電壓保持時間長等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān) 電源初、次級之間具有較好的隔離，對于交 流電網(wǎng)上的高頻脈沖干擾有較強(qiáng)的隔離能力。 現(xiàn)在已有許多直流開關(guān)電源產(chǎn)品，一般都有 幾個獨(dú)立的電源，如5V，12V，24V等。 2、開關(guān)管工作時產(chǎn)生的諧波干擾 功率開關(guān)管在導(dǎo)通時流過較大的脈沖電 流。例如橋式變換器的輸入電流波形在 阻性負(fù)載時近似為矩形波，其中含有豐 富的高次諧波分量。當(dāng)采用零電流

10、、零 電壓開關(guān)時，這種諧波干擾將會很小。 另外，功率開關(guān)管在截止期間，高頻變 壓器繞組漏感引起的電流突變，也會產(chǎn) 生尖峰干擾。 3、二極管的反向恢復(fù)時間引起的干擾 高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)?時有較大的正向電流流過，在其受反偏 電壓而轉(zhuǎn)向截止時，由于 PN 結(jié)中有較 多的載流子積累，因而在載流子消失之 前的一段時間里，電流會反向流動，致 使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少 而發(fā)生很大的電流變化（di / dt）。 4、交流輸入回路產(chǎn)生的干擾 無工頻變壓器的開關(guān)電源輸入端整流管在反向 恢復(fù)期間會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。開關(guān) 電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量，通過開 關(guān)電源的輸入輸出線傳

11、播出去而形成的干擾稱 之為傳導(dǎo)干擾；而諧波和寄生振蕩的能量，通 過輸入輸出線傳播時，都會在空間產(chǎn)生電場和 磁場。這種通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射 干擾。 5、開關(guān)電源干擾的抑制 （1）浪涌的抑制 瞬態(tài)抑制二極管(TVS)又叫鉗位型二極管，它 的主要特點(diǎn)是在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個 高能量的大脈沖時，其工作阻抗立即降至極低 的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過，同時把電壓 鉗制在預(yù)定水平，其響應(yīng)時間僅為10-12毫秒， 因此可有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件。 （2）濾波技術(shù) 濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的有效方法，在設(shè)備或系統(tǒng) 的電磁兼容設(shè)計中具有極其重要的作用。EMI濾波 器作為抑制電源線傳導(dǎo)干擾的重要單

12、元，可以抑 制來自電網(wǎng)的干擾對電源本身的侵害，也可以抑 制由開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾。在濾波 電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電 容器、三端電容器、鐵氧體磁環(huán)，它們能夠改善 電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計或選擇濾波器，并 正確地安裝和使用濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要 組成部分。 （3）屏蔽技術(shù) 采用屏蔽技術(shù)可以有效地抑制開關(guān)電源的電磁 輻射干擾，即用電導(dǎo)率良好的材料對電場進(jìn)行 屏蔽，用磁導(dǎo)率高的材料對磁場進(jìn)行屏蔽。屏 蔽有兩個目的，一是限制內(nèi)部輻射的電磁能量 泄漏出，二是防止外來的輻射干擾進(jìn)入該內(nèi)部 區(qū)域。其原理是利用屏蔽體對電磁能量的反射、 吸收和引導(dǎo)作用。 為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻

13、射，電磁干擾對其 他電子設(shè)備的影響，可完全按照對磁場屏蔽的 方法來加工屏蔽罩，然后將整個屏蔽罩與系統(tǒng) 的機(jī)殼和地連接為一體，就能對電磁場進(jìn)行有 效的屏蔽。 （4）調(diào)制頻率控制 調(diào)制頻率（Modulate Frequency）控制是通過將 開關(guān)信號的能量調(diào)制分布在一個很寬的頻帶上，產(chǎn)生 一系列的分立邊頻帶，則干擾頻譜可以展開，干擾能 量被分成小份分布在這些分立頻段上，從而實(shí)現(xiàn)了對 開關(guān)電源電磁干擾的抑制。 其主要原理是：將主開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，在主頻 帶周圍產(chǎn)生一系列的邊頻帶，從而將噪聲能量分布在 很寬的頻帶上，降低了干擾。這種控制方法的關(guān)鍵是 對頻率進(jìn)行調(diào)制，使開關(guān)能量分布在邊頻的范圍，且 幅值受調(diào)制系數(shù) 的影響（調(diào)制系數(shù) = f / fm， f 為相鄰邊頻帶間隔，fm 為調(diào)制頻率），一般 越大調(diào)制效果越好。 （5）無源緩沖電路控制 開關(guān)變換器中電磁干擾是在開關(guān)管開關(guān)時 刻產(chǎn)生的。以整流二極管為例，在開通時，其 導(dǎo)通電流不僅引起大量的開通損耗，還產(chǎn)生很 大的 di/dt，導(dǎo)致電磁干擾；而在關(guān)斷時