智能組件電源電路電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)方案淺析

1、智能組件電源電路的電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)淺析- 機(jī)電論文智能組件電源電路的電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)淺析于維娟宋亞凱（平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山 467001 ）【摘要】智能組件是智能高壓電器的重要組成部分，智能組件電源電路對(duì)智能組件工作可靠性有著重要影響。在分析智能組件電磁干擾類型和干擾原理的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同電磁類型干擾提出了相應(yīng)防護(hù)措施，并通過(guò)具體電路設(shè)計(jì)和電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證了電磁干擾防護(hù)措施的有效性。關(guān)鍵詞 高壓電器；智能組件；電磁干擾；電源電路The nalysedofthe ntelligentower ircuit omponentsof lectromagneticnterferencehiel

2、dingesignYU Wei-juanSYa kai（ Pinggao Group Co., Ltd., Pingdingshan Henan 467001, China）【 Abstract】 SmartComponentisanimportantpartofsmarthigh-voltage electrical appliances, intelligent power circuit componentsof the smartcomponentreliabilityhas an importantimpact.Based ontheanalysisofsmartpowercircu

3、itcomponentsofelectromagneticinterferenceontheproposedintelligentpowercircuitcomponentsrelated to protective measures against electromagnetic interference, andthe examplesset forthby the specificapplicationof circuitprotectionmeasures.【 Keywords】 High-voltageelectricalappliances;Intelligentcomponent

4、s; Electromagnetic interference; The power supply circuit作者簡(jiǎn)介：于維娟（ 1982 ），女，黑龍江人，碩士，研究方向?yàn)殚_(kāi)關(guān)設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)。宋亞凱（ 1987 ），男，河南平頂山人，碩士，研究方向?yàn)橹悄芙M件開(kāi)發(fā)技術(shù)、電力電子技術(shù)等。0 概述隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，電力系統(tǒng)一次設(shè)備智能化已經(jīng)成為智能電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。電力系統(tǒng)一次設(shè)備處于電力系統(tǒng)主電路中，正常工作狀態(tài)下一般都承受著高電壓、強(qiáng)電流，與高壓電器配套的智能組件裝置一般都安裝在高壓電器附近，其工作環(huán)境也面臨著復(fù)雜的電磁干擾，因此，智能組件需要較好的抗電磁干擾性能1 。對(duì)于電子裝置

5、而言，電源電路自身的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)裝置的整體性能有著至關(guān)重要的影響。 一方面，電源電路需要為裝置的其它芯片或電路提供穩(wěn)定的工作電壓，另一方面， 由于電源端口直接與外界連接，許多有破壞性的干擾會(huì)通過(guò)電源端口進(jìn)入裝置內(nèi)部， 對(duì)內(nèi)部電路的正常工作造成影響甚至破壞，因此，在高壓電器智能組件的設(shè)計(jì)過(guò)程中， 需要對(duì)電源電路進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)以提高電源電路的抗干擾能力 2 。1 智能組件電源電路的電磁干擾問(wèn)題在變電站現(xiàn)場(chǎng)，按照對(duì)電子裝置影響的不同，智能組件電源電路的電磁干擾大致分為兩類，分別是破壞性干擾和非破壞性干擾。1.1破壞性干擾及其來(lái)源破壞性干擾是能夠?qū)ρb置造成一定破壞性的干擾，此類干擾的特點(diǎn)是能量較

6、大，一般是高電壓或大電流，或者是脈沖群。此類干擾一般具有較大的能量，通過(guò)端口耦合進(jìn)入電子電路中， 可能對(duì)端口電路器件造成不可逆的破壞，如：雷擊、浪涌沖擊等干擾。在變電站現(xiàn)場(chǎng)，能夠?qū)χ悄芙M件裝置產(chǎn)生破壞性的干擾主要來(lái)源于機(jī)械式高壓開(kāi)關(guān)的操作、雷擊產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓和暫態(tài)過(guò)電流以及電網(wǎng)中故障或負(fù)荷突變引起的電壓變化、暫降等3 。這些干擾可能通過(guò)導(dǎo)線耦合、電磁感應(yīng)等方式進(jìn)入到電源端口， 對(duì)裝置內(nèi)部電路造成一定的破壞。目前，標(biāo)準(zhǔn)的電磁兼容試驗(yàn)項(xiàng)目中，模擬此類干擾的主要是浪涌抗擾性試驗(yàn)、振蕩波抗擾度試驗(yàn)等。 對(duì)于此類具有一定破壞性的干擾，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，防護(hù)措施的思路以疏導(dǎo)、隔離為主。1.2非破壞性干擾及其

7、來(lái)源此類干擾對(duì)裝置本身并不會(huì)造成一定的破壞性，但是能夠干擾裝置的正常工作，對(duì)通信、解碼、運(yùn)算等電路工作造成一定的影響，造成裝置誤動(dòng)作或通信中斷等，此類干擾的能量較小，但是一般有較高的頻率，如：高頻輻射騷擾等。在變電站現(xiàn)場(chǎng)，能夠?qū)χ悄芙M件裝置產(chǎn)生非破壞性干擾的主要來(lái)源是機(jī)械式高壓開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的振鈴波、 局部放電和無(wú)線通信產(chǎn)生的高頻信號(hào)以及電力系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)輻射等。此類干擾容易通過(guò)輻射、 耦合、沿導(dǎo)線傳導(dǎo)等方式從電源端口進(jìn)入到智能組件裝置內(nèi)部，對(duì)電源電路自身以及晶振、 數(shù)據(jù)處理、通信等頻率較高的電路產(chǎn)生干擾從而引起裝置的誤動(dòng)作、通信的中斷、 裝置死機(jī)等故障，威脅智能組件裝置的可靠性。

8、2 智能組件電源電路的電磁干擾防護(hù)措施針對(duì)上述兩種不同的干擾，在電路設(shè)計(jì)上可采取不同的措施。第一種干擾破壞性較強(qiáng)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中以疏導(dǎo)釋放干擾能量的防護(hù)措施為主；第二種干擾能量較小，在設(shè)計(jì)過(guò)程中以消耗吸收、屏蔽干擾能量的抗干擾措施為主。2.1破壞性干擾的防護(hù)措施在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用防護(hù)器件對(duì)破壞性干擾能力進(jìn)行泄放是應(yīng)對(duì)此類干擾的主要手段，此類防護(hù)器件的特性是： 當(dāng)器件兩端低于自身閥值電壓時(shí)，器件表現(xiàn)出高阻抗特性， 一旦器件兩端電壓高于自身閥值電壓，立刻表現(xiàn)為低阻抗、 大通流能力的特性。目前常用的防護(hù)器件主要有以下幾種：1 ）玻璃氣體放電管此類器件既有氣體放電管的抗大浪涌電流能力，又有半導(dǎo)體器件

9、的快速通斷能力，從而使器件表現(xiàn)出耐沖擊、響應(yīng)速度快（納秒級(jí)）、性能穩(wěn)定、可重復(fù)使用等優(yōu)良性能。目前，該類器件當(dāng)通流能力達(dá)到3000A 時(shí)，其耐受電壓可以做到 4500V 。2 ）壓敏電阻壓敏電阻是一種半導(dǎo)體器件，其原料以氧化鋅（ZnO ）為主，根據(jù)器件兩端承受的干擾信號(hào)的電壓特性不同，該類器件又可分為三種類型：第一，浪涌抑制型，此類型器件所要承受的電壓為隨機(jī)的瞬態(tài)過(guò)電壓；第二，高能型，此類器件需要吸收發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈的能量；第三，高功率型，此類器件兩端所承受的干擾信號(hào)是脈沖群，單個(gè)脈沖的能量不大， 但是由于頻率高，信號(hào)的平均功率比較大。3）TVS 管TVS 管（ Transient Voltag

10、e Supperssor）又稱為瞬變電壓抑制二極管，該類器件的正向特性與普通二極管的特性一致，但是，其反向特性則表現(xiàn)為典型的PN 結(jié)雪崩器件。當(dāng)承受瞬間的高能量時(shí)，該器件會(huì)以極高的速度降低其自身阻抗，與此同時(shí)，能量以器件為通道泄放掉。該類器件最大的優(yōu)點(diǎn)是自身阻抗的變化頻率可以很高，能夠達(dá)到10-12S 量級(jí)速度。4 ）接地與屏蔽接地和屏蔽不是破壞性干擾問(wèn)題的來(lái)源，但是，良好的接地系統(tǒng)以及電磁場(chǎng)屏蔽對(duì)解決此類問(wèn)題具有良好的作用。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是提供一個(gè)低阻抗的瞬態(tài)干擾信號(hào)的泄放路徑；屏蔽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是整個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)的電連續(xù)性。2.2非破壞性干擾的防護(hù)措施頻率較高的非破壞性干擾，一般采用濾波

11、的方式，將干擾信號(hào)濾除。目前，常用的濾波器件主要有以下幾種：1 ）鐵氧體磁環(huán)鐵氧體磁環(huán)，又稱電磁兼容環(huán)，是一種以鐵氧體為原材料的濾波器件。其特性是：當(dāng)通過(guò)磁環(huán)的信號(hào)頻率較低時(shí)，磁環(huán)自身的阻抗很小， 當(dāng)通過(guò)磁環(huán)的信號(hào)頻率升高時(shí)， 磁環(huán)的阻抗急劇增加。 由于電源電路一般都是直流或者工頻，信號(hào)頻率較低，利用此特性，把磁環(huán)直接套在電源電纜上，可以吸收高頻干擾信號(hào)。2 ）共模電感一般情況下， 把兩條線分別對(duì)地直接的干擾稱為是共模干擾4 。干擾一般采用共模電感的方式去除。共模電感，將兩個(gè)線圈繞在同一個(gè)鐵心上，且匝數(shù)、相位均相同，正常電流流經(jīng)共模電感時(shí)，兩個(gè)線圈產(chǎn)生相反的磁場(chǎng)，相互抵消，共模電流流經(jīng)時(shí)， 由

12、于共模電流的同向性， 兩個(gè)線圈產(chǎn)生大電感， 表現(xiàn)出高阻抗特性。3 ）電容電容用于電源電路電磁兼容設(shè)計(jì)時(shí)，其作用有：濾波、穩(wěn)壓、去耦和旁路 5 。但是，在使用電容時(shí)需要注意， 電容有其自諧振頻率， 當(dāng)電路中信號(hào)頻率在自諧振頻率以上時(shí)，電容呈現(xiàn)出電感特性。3 智能組件電源電路電磁干擾防護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)例如圖 1 所示，該電路是某智能組件電源端口電路，其外接 DC24V 直流電源，經(jīng)過(guò)一系列保護(hù)措施進(jìn)入組件電路板內(nèi)部，供智能組件電路使用。24V 電源端口處，正負(fù)線放置兩個(gè)放電管G1 、 G2，放電管的正極分別連接電源線的正負(fù)線，負(fù)極與屏蔽地FG（機(jī)殼）連接，正常工作時(shí)，端口線對(duì)地電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到放電管導(dǎo)通電壓

13、，放電管閉合， 電能正常進(jìn)入到后續(xù)電路，在端口遭受共模大電壓沖擊時(shí)，放電管導(dǎo)通，能量通過(guò)FG 泄放，待沖擊消失后，放電管迅速恢閉合，電路正常工作。電容C23 、 C25 組成濾波電路，對(duì)進(jìn)入端口的高頻信號(hào)進(jìn)行濾波。 R3 為壓敏電阻，其作用是防止差模大電壓信號(hào)沖擊。共模電感 T 的作用是濾除共模高頻干擾信號(hào)。電容C1、C2 的作用是進(jìn)一步濾波。TVS 管 T2 的作用是消除靜電干擾。為了驗(yàn)證上述電路設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)圖 1 電路所屬的智能組件進(jìn)行了電磁兼容試驗(yàn)，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，該組件電源端口順利通過(guò)了浪涌 （沖擊）抗擾度試驗(yàn)（根據(jù)GB/T17626.5，4級(jí)）、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)（根據(jù)GB/T17626.4，4 級(jí)）、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)（根據(jù)GB/T17626.6，3級(jí)）等試驗(yàn)項(xiàng)目，在試驗(yàn)過(guò)程中，智能組件均能正常工作。4 結(jié)論本文分析了智能組件電源電路電磁干擾問(wèn)題，對(duì)其干擾源和干擾原理進(jìn)行了探討，并針對(duì)不同類型的電磁干擾提出了相應(yīng)防護(hù)措施，設(shè)計(jì)了智能組件的具體電源電路，并通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證了電磁干擾防護(hù)措施的有效性。參考文獻(xiàn)陳繼宣 ,楊立委 .面向多對(duì)象電磁兼容浪涌抗擾度測(cè)試研究J.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào) ,2012,35:72.王釗利 .高