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在電子設(shè)備領(lǐng)域，各類干擾通常會通過電源線路傳導(dǎo)至電子設(shè)備，進而對設(shè)備的正常運行造成潛在威脅。根據(jù)對微機系統(tǒng)故障率的統(tǒng)計分析，100次故障事件中，有90次可歸因于電源問題，而僅有10次故障與微機系統(tǒng)本身相關(guān)。這一數(shù)據(jù)充分說明了電源穩(wěn)定性的至關(guān)重要性。具備高效抗干擾能力的電源設(shè)計，能夠使設(shè)計者在產(chǎn)品開發(fā)過程中無需過多關(guān)注電源引起的干擾問題，從而顯著縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并降低研發(fā)成本。

 

1. 電源干擾的類型

 

電源干擾可呈現(xiàn)為“共模”或“差模”形式。干擾的類型涵蓋了從短暫尖峰干擾至完全失電的廣泛范圍。此外，還包括電壓波動（例如電壓跌落、浪涌及中斷）、頻率波動、波形畸變（無論是電壓還是電流）、持續(xù)性噪聲或雜波以及瞬態(tài)現(xiàn)象等。在表4中列舉的多種干擾中，能夠通過電源傳播并導(dǎo)致設(shè)備損壞或影響其正常運作的主要是電快速瞬變脈沖群和浪涌沖擊波。至于靜電放電等干擾，只要電源設(shè)備本身未產(chǎn)生停振、輸出電壓跌落等現(xiàn)象，則不會引起由電源引起的對用電設(shè)備的不良影響。

表1 電源干擾的類型

 

2.  抑制干擾的方法

 

2.1 在電源輸入端加入線路濾波器

 

圖1展示了典型的電源線路濾波器結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，L1和L2線圈以相同方向繞制于同一磁芯之上。這兩個電感元件對于差模電流及主電流產(chǎn)生的磁通具有相互抵消的作用，從而避免了磁芯的飽和現(xiàn)象；而對于共模電流，它們則表現(xiàn)出顯著的電感特性，以實現(xiàn)最優(yōu)的濾波效果。因此，此類電感元件亦被稱為“共模電感”。

 

圖1  典型的電源線路濾波器

 

在電磁兼容性設(shè)計中，CX電容承擔著抑制差模干擾的關(guān)鍵作用，而CY電容則主要負責降低共模干擾。此外，電阻R的作用在于防止濾波器內(nèi)部靜電的累積。

 

電源濾波器的設(shè)計初衷在于抑制30 MHz以下頻段的噪聲。然而，面對脈沖干擾時，其產(chǎn)生的諧波頻率通常可達到數(shù)百MHz，這使得電源濾波器在實際應(yīng)用中的抑制效果并不顯著。據(jù)某研究機構(gòu)對20種電源濾波器抑制浪涌波能力的測試結(jié)果顯示，僅有4種濾波器的抑制效果超過20 dB，且部分濾波器在輸出端引發(fā)了振蕩現(xiàn)象。

 

2.2  采用帶屏蔽層的變壓器

 

共模干擾作為一種顯著的干擾形式，其傳播主要依賴于變壓器繞組間的耦合電容。通過在變壓器的初級與次級之間引入屏蔽層并確保其有效接地，干擾電壓得以通過屏蔽層進行旁路，進而降低輸出端的干擾電壓水平。該屏蔽層對變壓器的能量傳輸特性無負面影響，然而，它會對繞組間的耦合電容產(chǎn)生作用。圖2展示了帶有屏蔽層的隔離變壓器中共模干擾的傳播路徑。圖中，C1代表初級繞組與屏蔽層之間的分布電容，C2代表次級繞組與屏蔽層之間的分布電容，Z1為屏蔽層接地阻抗，Z2為負載對地阻抗，e1為初級干擾（共模）電壓，e2為次級干擾（共模）電壓。

 

圖2  帶屏蔽層的隔離變壓器

 

在圖2所示的電路中，為了提高共模衰減量，必須降低變壓器屏蔽層的接地阻抗。從理論上講，帶有屏蔽層的變壓器可以實現(xiàn)約60 dB的衰減量。然而，在實際應(yīng)用中，盡管對尖峰干擾具有一定的抑制作用，其效果并不顯著。

 

2.3  在電源的輸入端加入多級線路濾波器

 

一般情況下，在圖1所示的電路中再加一級差模濾波器，用于衰減差模干擾。通常，差模濾波器的設(shè)計如圖3所示。

 

圖3  差模濾波器

 

2.4 采用吸波器件

 

壓敏電阻器和瞬態(tài)電壓抑制管（TVS管）等吸波器件均具有一個共同特性：在未達到閾值電壓時，它們表現(xiàn)為高阻抗狀態(tài)；然而一旦電壓超過這一閾值，它們的阻抗會迅速降低。這使得它們能夠?qū)夥咫妷哼M行一定程度的抑制。盡管如此，這些器件也各自存在局限性。例如，壓敏電阻的電流吸收能力有限，而TVS管的閾值電壓通常僅在300至400伏特之間。因此，在電路設(shè)計中，壓敏電阻器和TVS管通常被并聯(lián)使用，以互補彼此的不足。

 

3.  參數(shù)選擇

 

針對不同電路，選擇電源線路濾波器參數(shù)時，必須綜合考慮電流、電壓、頻率范圍等關(guān)鍵因素，有時甚至需要通過實驗來確定最佳選項。在本節(jié)中，我們將專門解釋壓敏電阻和TVS管的參數(shù)選擇。

 

3.1 壓敏電阻器

 

（1）  壓敏電阻器的作用

 

壓敏電阻器，一種金屬氧化物變阻器，其電壓與電流之間的關(guān)系并不遵循歐姆定律，而是呈現(xiàn)出一種特殊的非線性特性。當兩端施加的電壓低于其標稱額定電壓時，壓敏電阻器的電阻值幾乎達到無窮大，內(nèi)部電流幾乎為零；一旦電壓略高于標稱額定值，壓敏電阻器會迅速導(dǎo)通，從高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥锠顟B(tài)，工作電流急劇增加；當電壓回落至低于標稱額定值時，壓敏電阻器又會恢復(fù)到高阻狀態(tài)；若電壓超過最大限制值，壓敏電阻器將徹底擊穿損壞，無法自動恢復(fù)。

 

壓敏電阻器在家電產(chǎn)品及其他電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，它能夠提供過電壓保護、防雷、抑制浪涌電流、吸收尖峰脈沖、限幅、高壓滅弧、消噪以及保護半導(dǎo)體元器件等多種功能。

 

（2）  壓敏電阻器的選取計算

 

通常情況下，壓敏電阻器與待保護的器件或裝置并聯(lián)使用。在正常工作條件下，壓敏電阻器兩端的直流或交流電壓應(yīng)保持在低于其標稱電壓的水平。即便在電源波動最為劇烈的情況下，也不應(yīng)超過所選型號的最大連續(xù)工作電壓，即額定電壓中的最高值，這個值即為選用的標稱電壓。在進行過壓保護應(yīng)用時，應(yīng)確保壓敏電壓值VmA高于實際電路的電壓值，一般通過以下公式進行選擇：

在公式中，a代表電路電壓波動系數(shù)，通常取值為1.2；v指的是電路的直流工作電壓（在交流情況下則為有效值）；b為壓敏電壓誤差，一般取值為0.85；c為元件的老化系數(shù)，通常取值為0.9。

 

根據(jù)上述參數(shù)計算得出的VmA值實際上是直流工作電壓的1.5倍。在交流狀態(tài)下，還需考慮峰值因素，因此計算結(jié)果應(yīng)乘以1.414以進行調(diào)整。此外，在選擇元件時，還需注意以下幾點：

 

① 必須確保在電壓波動達到最大時，連續(xù)工作電壓仍不會超過最大允許值，否則會縮短壓敏電阻器的使用壽命。② 當在電源線與大地之間使用壓敏電阻器時，由于接地不良可能導(dǎo)致線與地之間電壓升高，因此通常選擇標稱電壓高于線與線間使用場合的壓敏電阻器。③ 壓敏電阻器所吸收的浪涌電流應(yīng)小于產(chǎn)品的最大通流量。

 

3.2 TVS管

 

（1）  TVS管的作用

 

TVS管是一種高效的保護器件，以二極管的形式存在。在遭受反向瞬態(tài)高能量沖擊時，TVS二極管能在10^-12秒的時間內(nèi)迅速將兩極間的高阻抗狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩?，吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率，并將兩極間的電壓限制在一個預(yù)定值，從而有效保護電子線路中的精密元器件，避免受到各種浪涌脈沖的損害。由于TVS管具備快速響應(yīng)時間、大瞬態(tài)功率、低漏電流、小擊穿電壓偏差、易于控制的箝位電壓、無損壞極限、體積小巧等優(yōu)勢，它已被廣泛應(yīng)用于計算機系統(tǒng)、通信設(shè)備、交/直流電源、汽車、電子鎮(zhèn)流器、家用電器、儀器儀表以及RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM等多種設(shè)備的保護。此外，TVS管還用于共模/差模保護、RF耦合/IC驅(qū)動接收保護、電機電磁波干擾抑制、聲頻/視頻輸入、傳感器/變速器、工控回路、繼電器、接觸器噪聲抑制等眾多領(lǐng)域。

 

（2）  TVS管的選取

 

計算選取時應(yīng)注意以下幾點：

 

① TVS的額定反向關(guān)斷電壓VWM應(yīng)大于或等于被保護電路的最大工作電壓。② 最小擊穿電壓VBR等于VWM除以KBR（其中，KBR的取值范圍為0.8至0.9）。③ TVS的最大箝位電壓VC應(yīng)低于被保護電路的損壞電壓閾值，即VC等于KC乘以VBR（其中，KC的值為1.3）。④ 在規(guī)定的脈沖持續(xù)時間內(nèi)，TVS的最大峰值脈沖功耗PM必須能夠承受被保護電路可能出現(xiàn)的最大峰值脈沖功率。確定了最大箝位電壓后，其峰值脈沖電流應(yīng)足以應(yīng)對瞬態(tài)浪涌電流。

 

3.3  TVS管與壓敏電阻器的比較

 

目前，在國內(nèi)眾多需要浪涌保護的設(shè)備中，壓敏電阻器被廣泛使用。然而，TVS管在防護電快速瞬變脈沖群方面表現(xiàn)出色，其特性遠勝于壓敏電阻器，詳細特性參數(shù)的比較請參見表5。

 

表5  TVS管與壓敏電阻器的比較

 

4.  應(yīng)用實例

 

4.1交流電路

 

圖4為微機電源采用TVS管作線路保護的原理圖。

 

下面就圖4中的線路保護加以說明。

 

①  在進線的交流220 V處加雙向TVS管D1，以抑制220 V交流電網(wǎng)中的尖峰干擾。

 

 

雙向TVS管D1的選取D1時根據(jù)上述參數(shù)，通過查表即可得到。

 

②  在變壓器進線處加上抗干擾的電源線濾波器，以消除小尖峰干擾。

③  在變壓器輸出端交流20 V處加上雙向TVS管D2，再一次抑制干擾。

雙向TVS管D2的選取D2時根據(jù)上述參數(shù)，通過查表即可得到。

 

④  整流濾波輸出直流10 V時，加上單向TVS管D3抑制干擾。

 

單向TVS管D3的選取D3時根據(jù)上述參數(shù)，通過查表即可得到。

 

通過上述四次抑制措施，我們獲得了所謂的“凈化電源”。為了防止雷擊等引起的浪涌電壓，我們可以在交流220 V的輸入端添加壓敏電阻器，以更有效地阻止干擾侵入計算機的CPU和存儲器，進而進一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

 

4.2  DCDC電路

 

圖5  直流電源部分原理圖

 

在圖5中，KZ和KF連接至24伏直流電源；YR1是一個壓敏電阻器，其電壓閾值為1.5倍的24伏，即36伏，用于抵抗浪涌沖擊；L1、L2、C1和C2共同構(gòu)成了一個平衡型LC濾波器，用以抑制差模干擾；L3是一個共模電感，其作用是抑制共模干擾；TVS1則用于抑制電快速瞬變脈沖群干擾。需要注意的是，如果GND無法通過機殼接地，那么必須添加TVS2連接至KF，其目的是將瞬變脈沖干擾信號引導(dǎo)至大地。