i滤波器在通信电源c设计中的应用_蔡世川

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1、1998年3月通信电源技术第1期9EMI滤波器在通信电源EMC设计中的应用解放军重庆通信学院(6 30 0 35 )蔡世川王雨摘要本文从分析电源电路中的器的网络结构、工作原理、选用及安装。关祖词EMI涟 波器差模干扰EMI信号入 手,探讨了两种 典 型EMI滤 波共模干扰EMC日高技术条件下的战场上,通信电子战日趋激烈。军用通信装备(系统)作为主要的干扰接收器和重要的干扰源,其EMC(电磁兼容的英文缩写)性能对作战效能的影响越来越大。电源是通信设备(系统)的重要组成部分、自干扰源之一,对其必须有严格的EMC要求。通常,对EMC的研究是围绕构成EMI (电磁干扰的英文缩写)的三要素,即干扰源、干

2、扰传输途径和干扰接受器来进行的。干扰传输途径包括辐射发射和传导发射两种。在抗EMI信号的辐射危害方面,屏蔽是最好的措施,而对付它的传导干扰和某些辐射干扰,滤波则是一种极为有效的方法。本文拟就通信电源EMI滤波器的网络结构、工作原理、选用及安装发表一些浅见。:卜 时丁U , 打(a)l白去.丈月工一1电源电路中的EMI信号按照干扰信号对于电路作用的形态不同,可将电源系统内的干扰分为共模干扰和差模干扰信号两种(见图1)。图1(a)所示为一单相交流供电系统(简称单 相 电源),相 线(L)与地(E)、中线(N)与地(E)之间存在的EMI信号UI、U:为共模干扰信号;差模干扰是指L与N之间的EMI信号

3、U3。Ul、U:可视为在L和N线上传输的 电位相等相位相同的信号,其等效电路如图1( b);U3可视为L、N线上存在的18 0。相位差的干扰信号,等效为图i(c)。电源线上的任何传导干扰信号,都可表示成(b)(e)图1电源电路 中的EMI信号及 其等效电路共模和差模干扰两种方式。事实上,我们往往将L一E、N一E之间的共模干扰信号,以及L一N之间的差模干扰信号看成独立的EMI源,并把单相电源内的LE、NE和LN看作独立网络端口来分析EMI信号和有关的滤波网络。2线性电源EMI滤波器图2为线性 电源中常用的EMI滤波器的基本网络框图。它是由集中参数元件构成的无源低通网络,能够同时衰减两组共模EMI

4、信号和一组通信电源技术1998年3月差模EMI信一号。虚线框表示EMI滤波器的金属屏蔽外壳。L,和Cy:、L:和CyZ分别构成I一E、NE两 对独 立端口间的低通滤 波 器,用来抑制电源线上存在的共模干扰信号。L,和L:称为共模电感线圈或共模线圈 是绕 在磁环 上的两只独立线圈,所绕圈数相同,绕向相反,致使EMI滤波器接入 电路 后,两只线圈 内产 生的磁通在磁环内相互抵消,不会使磁环达到磁饱和,从而使两只线圈的电感值保持不变。但是,由于种种原因,如磁环的材料不可能做到绝对均匀,两只线圈 的绕制也不可 能完全对称等,使得L:和L:的电感量是不相等的。L,和L:之间便存在一个 不为零的差值( I

5、J,一LZ),称之为差模电感。它和C二电容器组成L一N独立端口间 的低通 滤 波器,用来抑制电源线上存在的差模一干扰信号。如果相线和中线中的共模干扰电平不相等,在C、电容器 上还会出现共模电流,形成共模压降,进一 步削弱共模干扰信号。3开关电源EMI滤波器广一一一一一一一一一一一一!肠与一般的线性稳压电源相比,开关 电源因其小型、高效、廉价等优点,而受到众多军用电子设备 的青睐。但开关 电源本 身是一个不可忽视的EMI源,它产生的EMI信号频带宽,幅度大。对高频段EMI信号的抑制较为容易,用去藕电路或网络结构较简单的EMI滤波器,就能使其达到有关EMC标准。对低频段EMI信号的消除,则要根据其

6、等效 电路的特点,设计或选用专 门的滤波器。开关 电源差模EMI信号的等效电路由高阻抗和低阻抗两部分组成(见图3),这两部分不能同时存在。图3(a )为差模低阻抗EMI信号的等效电路及其滤波网络,L.为分布电感,R.为分布电阻,滤波器 由差模电感L、和电容器C“组成,LDM包括共模线圈形成的差模 电感和独立的差模抑制电感两部分。图3( b)为差模高阻抗EMI信号的等效电路及其滤波网络,CP为分布电容,RP为电流源的并联电阻,其滤波器与图3(a)中的相比多了一个电容CL L:。厂一 一丁二 几 二门_上_鱼 叫属到门例H卜.V. . .叮. . . . . .几r 叮.吸. . . 几. . .

7、 . . . .L柱了匕_J图2线性电源EMI滤波网络对共模线 圈Ll、LZ的绕制要尽量减 小匝与匝、线头与线尾的分布电容。线圈引线的头尾不要过近,更不能捆扎在一起,否则将前功尽弃,失去了抑制共模噪声的功能。磁环应选拜一f特性好的材料制成,截面积不能太小,以免导致磁饱和。C、电容器上除加有电源的额定电压外,还会迭加上存在于L、N之间的各种EMI信号的峰值电压,一般选用耐压高(U。1.4kv)的陶瓷电容或聚酷电容。C,、C,:越大,滤波效果越好,但这将使机壳和电网间的阻抗变低,漏 电流增大,一旦机壳接大地不良,人触机壳时便会危及人身安全。因此,对Cyl、CyZ的选用应首先满足漏电流的要求。对于2

8、 5oV、soH:的供 电系统,常要求电源EMI滤波器的漏电流小于1mA。匕_口(a)一一-止二二丁一一气 |土甲|L_J德波器(b)图3差模EMI信号的等效电路及其涟波网络第l期蔡世 川王雨:EMI滤波器在通信电源EMC设计中的应用图4是开关 电源中共模EMI信号的等效电路及其滤波网络。等效电路的源内阻Z,呈高阻抗容性,滤波器由共模电感L二和电容器CL组成。,z;厂-二二二一,z;发生相互藕合,从而破坏滤波器和屏蔽罩对EMI信号的抑制;此外,滤波器的外壳与系统地之间应有良好的电气连接,尽量减小公共接地阻抗。/议备 解蔽嗓音深住住住, ,彼彼 麟麟麟一一丫-J 德波器开 关电裸图4共模EMI信

9、号的等效 电路及 其滤波网络图5是构成开关电源EMI滤波器的完整的网络结构,与一般的电源EMI滤波器的明显差别是它具有独立的差模抑制电感L,、L:。凌凌凌彼彼彼廿廿廿设备屏蔽健健健 健健. . .月月月l一L3二干c .C件卜图5开关电源EMI滤波网络图6电源EMI滤波器的安装图6为几种推荐的EMI滤波器的安装方法。这些安装方法 的最大特点是借助设备的屏蔽体,把EMI滤波器的电源端和负载端隔离开来,把滤波器输入 和输出端可能存在的电磁藕合控制到 最低程度,既能实现滤波器对EMI信号的抑制,又不破坏设备的屏蔽结构对EMI信号的隔离。4电源EMI滤波器的选用及安装电源EMI滤波器是无源网络,具有互

10、 易性,即它的输入与输出端可以互换。在实际应用中,必须根据源阻抗和负载阻抗选择滤波器的网络结构和参数,以保证满意的抑制效果。当EMI滤波器两端阻抗都处于失配状态时,EMI信号会在它的输入和输出端口产生反射,即失配端接。最大失配原则为:阻性(负载和源)一容性(滤波器),感性(负载和源)一容性(滤波器),容性(负载和源)一感性(滤波器)。在满足此原则的前提下,尽可能选用漏电流小、插入衰减大(对EMI信号而言)的滤波器。一个电源EMI滤波器虽然具有良好的频率特性和抗干扰效果,如果安装不当,也不能得到预期的效果。首先,不能将滤波器的输入与输出线捆扎在一起,以免输入线上的EMI信号直接糊合到输 出线上;

11、其次,不能将滤波器完全置于屏蔽罩内,以免滤波器输入端与设备内部的电路及元器件5结束语本文重点介绍了两种典型的电源EMI滤波器,实际上EMI滤波器还有很多其它种类。例如,飞机上供电系统中的反射EMI滤波器、损耗线EMI滤波器,用于大电流稳压电源输出端的铁氧体磁珠滤波器,用于抗浪涌EMI信号的浪涌吸收器,以及以运算放大器为主的有源搏波器和数字滤波器等等。由于篇幅有限,恕不对它们作更多的介绍。总之,在设计军用通信电源时,必须对电路中的EMI信号予以极大关注,在所有抗干扰通信设备(系统)中均应设计、选用、安装最适配的 电源EMI滤波器,以提高整机(系统)的EMC性能。参考文献l王鸿麟等现代通信 电源.

12、人民邮电出版社,1 991,52湖北省电磁兼容学 会.电磁兼容性原理及应用.国防工业出版社,1”6.4(下转第2 1页)第1期柳光轩:城区(地区)监控系统也不会比集中式高。2.2功能遥信、遥测、遥控是 电源集中监控系统的基本功能。在地区监控中心,一般不设置遥控功能,应设置以下功能界面:( 1 )地区电源网管界面:在一个地区所管辖的区域图上,展示各市(县)监控中心(母局)的供电状态。设置:用颜色识别各监控点的供电状态。绿色供电正常;红色母线供电中断;黄色 端局供电中断。( 2 )市(县)电源网管界面:在一个市(县)所管辖的区域图上,展示各监控站的供电状态。设置:用颜色识别各监控点的供 电状态。绿

13、色供电正常;红色甲类告警;黄色乙类告警。( 3)定点监控界面:在一个信息表格上,展示一个中心局或直管站的全部监测数据和信息。设置:绿色正常数据和信息;红色超限数据和告警2.3任务 集中监控、集中维护、集中管理是电源集中监控系统的基本任务,而地区监控中心的主要任务是集中管理。遥信遥测所获得的信息源和数据源全在于编制管理计划和内容,主要有运行管理、安全管理、设备管理和人员管理。( 1 )运行管理 确定运行管理界面的内容、数量和生成;规定运行管理报表的种类、数量和内容;确定划分故障的等级和内容、处理故障的方式和时限、记载故障的频次和历时。( 2)安全管理规定各类操作人员的身份、等级、口令和权限;规定

14、计算机病毒入侵的防范措施,包括禁止在计算机上玩游戏;一-规定资料存盘方式和时间。( 3)设备管理设备的运作时间、故障频次、保养、维修和变更记载,建立完整的设备管理档案。( 4)人员管理制定电源集中监控人员的技术要求,培训计划 和考核标准,赋予等级、口令和权限,建立各类人员的个人档案。在地区监控中心构成的局域网中,设置一台管理机,用来编制和修改管理计划和内容是十分必要的。(上接第n页)3诸邦田.电子线路抗干扰技术手册.北京:科学技术出版社,1 98 8,1 04顾布如.电磁兼容的原理、规范和测试.国防工业出版社,1 988,93结束语综上所述,可以得出以下几点结论:(1 )电源集中监控系统是通信

15、电源设备在不同层次的计算机通信系统;( 2)局站监控系统是电源集中监控的第一个层次,市(县)监控系统是第二个层次,地区监控系统是第三个层次;( 3)地区监控中心的主要功能是遥信遥测,地区监测中心的主要任务是集中管理;( 4)集中管理的主要内容是设备管理、运行管理、安全管理和人员管理。参考文献1.通信电源和空调集中监控系统技术要求.邮电部技术规定YDN O23一1 9962.柳光轩.电源集中监控的结构和层次.浙江通信技术,1996,343.柳光轩.区域(县)监控系统.见:邮电通信 电源专业技术情报网编.通信电源技 术交流文集,1 9 9 79 5100(收稿日期:199 7一1 0一1 6)一- 一 - 一 5瑞士夏弗纳电子股份公司.开关电源的电源干扰抑制及EMI滤波器.电子产品世界杂志社,19 96,46【日】山崎弘郎.电子电路的抗干扰技术.北京:科学技术出版社,1 98 9,9. . . . . . . . . . .