在电子设备领域，各类干扰通常会通过电源线路传导至电子设备，进而对设备的正常运行造成潜在威胁。根据对微机系统故障率的统计分析，100次故障事件中，有90次可归因于电源问题，而仅有10次故障与微机系统本身相关。这一数据充分说明了电源稳定性的至关重要性。具备高效抗干扰能力的电源设计，能够使设计者在产品开发过程中无需过多关注电源引起的干扰问题，从而显著缩短产品开发周期并降低研发成本。

 

1. 电源干扰的类型

 

电源干扰可呈现为“共模”或“差模”形式。干扰的类型涵盖了从短暂尖峰干扰至完全失电的广泛范围。此外，还包括电压波动（例如电压跌落、浪涌及中断）、频率波动、波形畸变（无论是电压还是电流）、持续性噪声或杂波以及瞬态现象等。在表4中列举的多种干扰中，能够通过电源传播并导致设备损坏或影响其正常运作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波。至于静电放电等干扰，只要电源设备本身未产生停振、输出电压跌落等现象，则不会引起由电源引起的对用电设备的不良影响。

表1 电源干扰的类型

 

2.  抑制干扰的方法

 

2.1 在电源输入端加入线路滤波器

 

图1展示了典型的电源线路滤波器结构。在此结构中，L1和L2线圈以相同方向绕制于同一磁芯之上。这两个电感元件对于差模电流及主电流产生的磁通具有相互抵消的作用，从而避免了磁芯的饱和现象；而对于共模电流，它们则表现出显著的电感特性，以实现最优的滤波效果。因此，此类电感元件亦被称为“共模电感”。

 

图1  典型的电源线路滤波器

 

在电磁兼容性设计中，CX电容承担着抑制差模干扰的关键作用，而CY电容则主要负责降低共模干扰。此外，电阻R的作用在于防止滤波器内部静电的累积。

 

电源滤波器的设计初衷在于抑制30 MHz以下频段的噪声。然而，面对脉冲干扰时，其产生的谐波频率通常可达到数百MHz，这使得电源滤波器在实际应用中的抑制效果并不显著。据某研究机构对20种电源滤波器抑制浪涌波能力的测试结果显示，仅有4种滤波器的抑制效果超过20 dB，且部分滤波器在输出端引发了振荡现象。

 

2.2  采用带屏蔽层的变压器

 

共模干扰作为一种显著的干扰形式，其传播主要依赖于变压器绕组间的耦合电容。通过在变压器的初级与次级之间引入屏蔽层并确保其有效接地，干扰电压得以通过屏蔽层进行旁路，进而降低输出端的干扰电压水平。该屏蔽层对变压器的能量传输特性无负面影响，然而，它会对绕组间的耦合电容产生作用。图2展示了带有屏蔽层的隔离变压器中共模干扰的传播路径。图中，C1代表初级绕组与屏蔽层之间的分布电容，C2代表次级绕组与屏蔽层之间的分布电容，Z1为屏蔽层接地阻抗，Z2为负载对地阻抗，e1为初级干扰（共模）电压，e2为次级干扰（共模）电压。

 

图2  带屏蔽层的隔离变压器

 

在图2所示的电路中，为了提高共模衰减量，必须降低变压器屏蔽层的接地阻抗。从理论上讲，带有屏蔽层的变压器可以实现约60 dB的衰减量。然而，在实际应用中，尽管对尖峰干扰具有一定的抑制作用，其效果并不显著。

 

2.3  在电源的输入端加入多级线路滤波器

 

一般情况下，在图1所示的电路中再加一级差模滤波器，用于衰减差模干扰。通常，差模滤波器的设计如图3所示。

 

图3  差模滤波器

 

2.4 采用吸波器件

 

压敏电阻器和瞬态电压抑制管（TVS管）等吸波器件均具有一个共同特性：在未达到阈值电压时，它们表现为高阻抗状态；然而一旦电压超过这一阈值，它们的阻抗会迅速降低。这使得它们能够对尖峰电压进行一定程度的抑制。尽管如此，这些器件也各自存在局限性。例如，压敏电阻的电流吸收能力有限，而TVS管的阈值电压通常仅在300至400伏特之间。因此，在电路设计中，压敏电阻器和TVS管通常被并联使用，以互补彼此的不足。

 

3.  参数选择

 

针对不同电路，选择电源线路滤波器参数时，必须综合考虑电流、电压、频率范围等关键因素，有时甚至需要通过实验来确定最佳选项。在本节中，我们将专门解释压敏电阻和TVS管的参数选择。

 

3.1 压敏电阻器

 

（1）  压敏电阻器的作用

 

压敏电阻器，一种金属氧化物变阻器，其电压与电流之间的关系并不遵循欧姆定律，而是呈现出一种特殊的非线性特性。当两端施加的电压低于其标称额定电压时，压敏电阻器的电阻值几乎达到无穷大，内部电流几乎为零；一旦电压略高于标称额定值，压敏电阻器会迅速导通，从高阻状态转变为低阻状态，工作电流急剧增加；当电压回落至低于标称额定值时，压敏电阻器又会恢复到高阻状态；若电压超过最大限制值，压敏电阻器将彻底击穿损坏，无法自动恢复。

 

压敏电阻器在家电产品及其他电子产品中得到广泛应用，它能够提供过电压保护、防雷、抑制浪涌电流、吸收尖峰脉冲、限幅、高压灭弧、消噪以及保护半导体元器件等多种功能。

 

（2）  压敏电阻器的选取计算

 

通常情况下，压敏电阻器与待保护的器件或装置并联使用。在正常工作条件下，压敏电阻器两端的直流或交流电压应保持在低于其标称电压的水平。即便在电源波动最为剧烈的情况下，也不应超过所选型号的最大连续工作电压，即额定电压中的最高值，这个值即为选用的标称电压。在进行过压保护应用时，应确保压敏电压值VmA高于实际电路的电压值，一般通过以下公式进行选择：

在公式中，a代表电路电压波动系数，通常取值为1.2；v指的是电路的直流工作电压（在交流情况下则为有效值）；b为压敏电压误差，一般取值为0.85；c为元件的老化系数，通常取值为0.9。

 

根据上述参数计算得出的VmA值实际上是直流工作电压的1.5倍。在交流状态下，还需考虑峰值因素，因此计算结果应乘以1.414以进行调整。此外，在选择元件时，还需注意以下几点：

 

① 必须确保在电压波动达到最大时，连续工作电压仍不会超过最大允许值，否则会缩短压敏电阻器的使用寿命。② 当在电源线与大地之间使用压敏电阻器时，由于接地不良可能导致线与地之间电压升高，因此通常选择标称电压高于线与线间使用场合的压敏电阻器。③ 压敏电阻器所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量。

 

3.2 TVS管

 

（1）  TVS管的作用

 

TVS管是一种高效的保护器件，以二极管的形式存在。在遭受反向瞬态高能量冲击时，TVS二极管能在10^-12秒的时间内迅速将两极间的高阻抗状态转变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，并将两极间的电压限制在一个预定值，从而有效保护电子线路中的精密元器件，避免受到各种浪涌脉冲的损害。由于TVS管具备快速响应时间、大瞬态功率、低漏电流、小击穿电压偏差、易于控制的箝位电压、无损坏极限、体积小巧等优势，它已被广泛应用于计算机系统、通信设备、交/直流电源、汽车、电子镇流器、家用电器、仪器仪表以及RS232/422/423/485、I/O、LAN、ISDN、ADSL、USB、MP3、PDAS、GPS、CDMA、GSM等多种设备的保护。此外，TVS管还用于共模/差模保护、RF耦合/IC驱动接收保护、电机电磁波干扰抑制、声频/视频输入、传感器/变速器、工控回路、继电器、接触器噪声抑制等众多领域。

 

（2）  TVS管的选取

 

计算选取时应注意以下几点：

 

① TVS的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压。② 最小击穿电压VBR等于VWM除以KBR（其中，KBR的取值范围为0.8至0.9）。③ TVS的最大箝位电压VC应低于被保护电路的损坏电压阈值，即VC等于KC乘以VBR（其中，KC的值为1.3）。④ 在规定的脉冲持续时间内，TVS的最大峰值脉冲功耗PM必须能够承受被保护电路可能出现的最大峰值脉冲功率。确定了最大箝位电压后，其峰值脉冲电流应足以应对瞬态浪涌电流。

 

3.3  TVS管与压敏电阻器的比较

 

目前，在国内众多需要浪涌保护的设备中，压敏电阻器被广泛使用。然而，TVS管在防护电快速瞬变脉冲群方面表现出色，其特性远胜于压敏电阻器，详细特性参数的比较请参见表5。

 

表5  TVS管与压敏电阻器的比较

 

4.  应用实例

 

4.1交流电路

 

图4为微机电源采用TVS管作线路保护的原理图。

 

下面就图4中的线路保护加以说明。

 

①  在进线的交流220 V处加双向TVS管D1，以抑制220 V交流电网中的尖峰干扰。

 

 

双向TVS管D1的选取D1时根据上述参数，通过查表即可得到。

 

②  在变压器进线处加上抗干扰的电源线滤波器，以消除小尖峰干扰。

③  在变压器输出端交流20 V处加上双向TVS管D2，再一次抑制干扰。

双向TVS管D2的选取D2时根据上述参数，通过查表即可得到。

 

④  整流滤波输出直流10 V时，加上单向TVS管D3抑制干扰。

 

单向TVS管D3的选取D3时根据上述参数，通过查表即可得到。

 

通过上述四次抑制措施，我们获得了所谓的“净化电源”。为了防止雷击等引起的浪涌电压，我们可以在交流220 V的输入端添加压敏电阻器，以更有效地阻止干扰侵入计算机的CPU和存储器，进而进一步提升系统的稳定性。

 

4.2  DCDC电路

 

图5  直流电源部分原理图

 

在图5中，KZ和KF连接至24伏直流电源；YR1是一个压敏电阻器，其电压阈值为1.5倍的24伏，即36伏，用于抵抗浪涌冲击；L1、L2、C1和C2共同构成了一个平衡型LC滤波器，用以抑制差模干扰；L3是一个共模电感，其作用是抑制共模干扰；TVS1则用于抑制电快速瞬变脉冲群干扰。需要注意的是，如果GND无法通过机壳接地，那么必须添加TVS2连接至KF，其目的是将瞬变脉冲干扰信号引导至大地。

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关键词： 电磁兼容设计