瑞坤電子設(shè)備廠
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2011年01月06日 11:49 來(lái)源: 《磁性元件與電源》2011年1月刊 作者： 王水平，劉暢生，于建國(guó)
1 引言
屏蔽技術(shù)通常包含兩層意思：一是把環(huán)境中的雜散電磁波阻擋在被屏蔽的用電系統(tǒng)的外面，以防止和避免這些雜散電磁波對(duì)該用電系統(tǒng)的干擾和破壞；二是把本用電系統(tǒng)內(nèi)的振蕩源或功率輻射源通過(guò)電路中的各個(gè)環(huán)節(jié)和各種途徑向外輻射或傳播的電磁波阻擋在本用電系統(tǒng)內(nèi)部，以防止和避免傳播和輻射出去而污染環(huán)境和干擾臨近周圍的其它用電系統(tǒng)。電源電路中的屏蔽技術(shù)，主要是屏蔽電源內(nèi)部的振蕩器和功率變換器所產(chǎn)生的高頻電磁波，使它不要通過(guò)電源電路中的元器件、引線以及PCB等環(huán)節(jié)傳播和輻射出去，從而污染環(huán)境和干擾臨近周圍的其它用電系統(tǒng)的正常使用。
2 軟屏蔽技術(shù)
所謂軟屏蔽技術(shù)就是電源電路的設(shè)計(jì)者們?cè)谶M(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，采取有效的濾波技術(shù)，一方面將電源電路內(nèi)部的高頻電磁波對(duì)外部的傳播和輻射濾除到zui小程度，使其不影響鄰近周圍的其它電子設(shè)備的正常工作，同時(shí)也不污染工頻電網(wǎng)；另一方面將輸人工頻電網(wǎng)上的雜散電磁波濾除到zui小程度，使其不影響電源電路的正常工作。
（1） 輸入端的濾波技術(shù)。通常人們采用如圖1所示的雙向?yàn)V波器電路加在開關(guān)穩(wěn)壓電源的工頻輸入端，只允許400Hz以下的低頻信號(hào)通過(guò)，對(duì)于1kHz以上的高頻信號(hào)具有40~100dB衰減量。實(shí)現(xiàn)了電源電路中的高頻輻射不污染工頻電網(wǎng)和工頻電網(wǎng)上的雜散電磁波不會(huì)竄入開關(guān)穩(wěn)壓電源的軟屏蔽作用。理想的雙向?yàn)V波器對(duì)于高頻分量或工頻的諧波分量具有急劇地阻止作用，而對(duì)于400Hz以下的低頻分量近似于一條短路線。在圖1所示的電路中，電容C1、C2、C5和C6用以濾除從工頻電網(wǎng)上進(jìn)入電源或從電源竄人工頻電網(wǎng)不對(duì)稱的雜散干擾電壓信號(hào)，電容C3和C4則用以濾除從工頻電網(wǎng)上進(jìn)入電源或從電源竄人工頻電網(wǎng)對(duì)稱的雜散干擾信號(hào)，而電感L用以抑制從工頻電網(wǎng)上進(jìn)入電源或從電源竄人工頻電網(wǎng)的頻率相同、相位相反的雜散干擾電流信號(hào)。另外，電容C1、C2和電容C5、C6的公共接地端應(yīng)該與實(shí)驗(yàn)室或機(jī)房等的聯(lián)合接地極（<1Ω）相連，電感在加工時(shí)應(yīng)具有較小的分布電容，應(yīng)均勻地繞制在圓環(huán)骨架上，鐵芯應(yīng)選用于骨架和頻率相一致的鐵鉬合金材料。在實(shí)際應(yīng)用中，為了使加工工藝簡(jiǎn)便，雙向?yàn)V波器中的電感既可采用圓環(huán)狀鐵芯，也可采用C型鐵芯來(lái)加工。濾波器中的所有電容也應(yīng)采用高頻特性較好的陶瓷電容或聚脂薄膜電容，其容量應(yīng)根據(jù)所輸入的電網(wǎng)頻率來(lái)定，電容的連線應(yīng)盡量的短，以減小引線電感。
在實(shí)際應(yīng)用中，這種雙向?yàn)V波器的濾波特性不是那么的理想，同時(shí)在頻率繼續(xù)上升時(shí)，特性就會(huì)繼續(xù)地下落，這時(shí)濾波效果就會(huì)變差。因此，采用單級(jí)雙向?yàn)V波器就不能夠得到較好的濾波效果。為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于一些要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合，人們就采用多級(jí)雙向?yàn)V波器串聯(lián)的方式，如圖2所示。但是要求成本較低時(shí)，為了降低成本，在一般的開關(guān)穩(wěn)壓電源電路中，只使用一級(jí)LC線性濾波器是比較經(jīng)濟(jì)合算的，如圖3所示。該電路的特點(diǎn)是每一個(gè)整流二極管上并接一濾波電容，這樣一來(lái)就可以使每個(gè)濾波電容的耐壓值只是圖1所示雙向?yàn)V波器電路中電容耐壓值的1/2，雖然電容的數(shù)量增加了，但是實(shí)際總成本卻降低了。
將電源電路中產(chǎn)生的高頻輻射干擾信號(hào)從入口端就被堵塞住，這對(duì)防止和避免工頻電網(wǎng)的干擾和污染是非常重要的。而將開關(guān)穩(wěn)壓電源從出口端朝外輻射和傳播的高頻干擾信號(hào)抑制和濾除掉，以防止和避免對(duì)鄰近其它的電子設(shè)備的正常工作造成干擾和影響，也是開關(guān)穩(wěn)壓電源能否被推廣應(yīng)用的一個(gè)不可忽視的重要環(huán)節(jié)。
（2）輸出端的濾波技術(shù)。一方面為了防止和減少開關(guān)穩(wěn)壓電源將內(nèi)部的高頻信號(hào)疊加到輸出的直流電壓上形成雜波噪聲，從而影響負(fù)載電路系統(tǒng)的正常工作。另一方面還要防止負(fù)載電路系統(tǒng)中的高頻信號(hào)竄入開關(guān)穩(wěn)壓電源影響其正常工作，因此就需要在輸出端加入濾波電路。常用的濾波電路是由電容或電感或電容和電感混合組成的。圖4所示的電路就是電感式、電容式和電容與電感混合式三種類型的濾波器電路。
圖4（a）所示的電路是電感式濾波器電路。電感L通常是采用單根漆包線（漆包線的線徑可根據(jù)輸出電流的大小而定）繞制在Φ6×30的鐵氧體磁棒上，匝數(shù)可在4~7匝之間選定。有時(shí)為了得到較好的濾波效果，還可以將磁棒改為同樣材料的磁環(huán)。這種濾波電路的特點(diǎn)是所用元器件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且對(duì)高頻尖脈沖干擾信號(hào)具有較好的濾除和抑制效果。圖4（b）所示的電路是電容式濾波器電路。電容C1一般應(yīng)選擇10μF的電解電容，耐壓可根據(jù)輸出電壓的高低而定，主要是濾除輸出電壓上的低頻波動(dòng)信號(hào)。電容C2一般應(yīng)選用0.01~0.1μF的高頻和溫度特性較穩(wěn)定的陶瓷或聚酯薄膜電容，耐壓同樣要根據(jù)輸出電壓的高低而定，主要是濾除疊加在輸出電壓上的高頻尖脈沖干擾信號(hào)。圖4（c）所示的電路是電容與電感混合式濾波器電路。它由電感L和電容C1、C2組成。從電路形式上看，實(shí)際上就是圖（a）和（b）加起來(lái)而組成的。電路結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜一些，但是濾除和抑制噪聲和干擾的效果要比它們好得多，所以它是實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常采用的濾波電路。
以上三種濾波電路雖然能夠?yàn)V除和抑制低頻和高頻干擾信號(hào)，但是卻對(duì)共模干擾噪聲無(wú)能為力。為了濾除和抑制電源傳輸?shù)截?fù)載系統(tǒng)或負(fù)載系統(tǒng)傳輸?shù)诫娫吹墓材８蓴_噪聲，就必須采用圖5所示的濾波電路。該濾波電路是在以上三種濾波電路的基礎(chǔ)上引進(jìn)了一個(gè)共模濾波電感，共膜濾波電感中的L1和L2是在同一個(gè)磁環(huán)上分別采用漆包線各繞制7匝而成的。濾波器的輸入端和輸出端與前面已經(jīng)講過(guò)的雙向?yàn)V波器電路*相同，這種具有共模電感的濾波器電路的等效阻抗可以表示為：
（1）
式中Z為濾波器電路的等效阻抗，R為濾波器電路的等效電阻，L為濾波器電路的等效電感，f為干擾噪聲信號(hào)的頻率。該關(guān)系式說(shuō)明，干擾噪聲信號(hào)的頻率越高，共模電感濾波電路對(duì)其所呈現(xiàn)的阻抗就越大。因此，這種加入了共模電感的濾波電路，對(duì)高頻干擾噪聲信號(hào)，特別是尖峰干擾脈沖噪聲具有較好的濾除和抑制作用。但是，由于這種濾波電路中采用了共模電感，并且這種電感是帶有磁環(huán)的，所以不但具有電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，而且還具有成本高的缺點(diǎn)。因此，這種濾波電路只適應(yīng)于對(duì)屏蔽要求較為嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。
（3）輸出端配線技術(shù)。開關(guān)穩(wěn)壓電源在將能量供給負(fù)載系統(tǒng)的過(guò)程中，當(dāng)引線長(zhǎng)而且配線不合理時(shí)，線間所產(chǎn)生的寄生電容就會(huì)增加到不可忽視的程度，共模噪聲信號(hào)就會(huì)通過(guò)這些寄生電容傳播和導(dǎo)入到負(fù)載系統(tǒng)，使負(fù)載系統(tǒng)的正常工作受到影響，嚴(yán)重時(shí)就會(huì)使負(fù)載系統(tǒng)不能正常工作或損壞其中的一些元器件。
通過(guò)實(shí)際測(cè)量和實(shí)驗(yàn)證明，采用交扭線比采用平行線傳輸效果要好得多。圖6給出了采用線間距離較大的平行線傳輸和采用線間距離較小的交扭線傳輸時(shí)，在負(fù)載端用示波器分別觀察到的噪聲信號(hào)波形。當(dāng)采用1m長(zhǎng)，并且線間的距離為5cm的平行線傳輸時(shí)，在負(fù)載端所觀察到噪聲電壓信號(hào)的幅值為60mV；如改用1m長(zhǎng)，并且線間的距離為1cm的交扭線傳輸時(shí)，在負(fù)載端所觀察到噪聲電壓信號(hào)的幅值就降低為14mV。表1中列舉了平行線和交扭線在線間距離不同時(shí)對(duì)雜波噪聲信號(hào)的衰減量。從這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中不難看出，交扭線比平行線對(duì)雜波噪聲信號(hào)的衰減要好得多。并且交扭得越緊，對(duì)雜波噪聲信號(hào)衰減的效果就越好。當(dāng)然，采用交扭線傳輸時(shí)，應(yīng)該自始至終都均勻地交扭在一起，如果在中間有一部分線沒有交扭，形成了一個(gè)環(huán)路，兩線間包含了一定的面積，同樣也會(huì)使負(fù)載端的雜波噪聲信號(hào)增大。此外，在電源的輸出端附近，采用交扭線進(jìn)行傳輸并加上濾波電路時(shí)，則對(duì)雜波噪聲信號(hào)的衰減效果就會(huì)更好。
表 1 平行線、交扭線和雜波噪聲信號(hào)的關(guān)系
編號(hào) 線型 節(jié)距/cm 對(duì)雜波噪聲信號(hào)的衰減量
比率 衰減量/dB
1 平行線 — 1：1 0
2 交扭線 10.10 14：1 23
3 交扭線 7.62 71：1 37
4 交扭線 5.08 112：1 41
5 交扭線 2.54 141:1 43
— — — — —
圖7所示的電路分別表示了采用不同的交扭線傳輸，并且所加濾波器的位置不同時(shí)，對(duì)雜波噪聲信號(hào)的衰減效果也不同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用圖7（c）所示的傳輸方法，也就是將穩(wěn)壓電源輸出端的+、-兩根傳輸線直接交扭起來(lái)，再通過(guò)濾波器后傳輸給負(fù)載系統(tǒng)，就能得到對(duì)雜波噪聲信號(hào)衰減較為滿意的效果。這種傳輸方法既經(jīng)濟(jì)，效果又好，因此是實(shí)際中應(yīng)用zui多的一種方法。
除了采用這些配線技術(shù)能對(duì)雜波噪聲信號(hào)具有一定的衰減作用以外，地線的選擇位置、連接方法、長(zhǎng)短和粗細(xì)等都與雜波噪聲信號(hào)的大小有著密切的關(guān)系。實(shí)踐證明，地線一端接地要比兩端接地的效果要好，接地點(diǎn)應(yīng)選擇在負(fù)載電路系統(tǒng)端，地線應(yīng)盡量的短而粗。在有些不能采用交扭線的場(chǎng)合，若要使用平行線傳輸，則線間的距離應(yīng)盡量的加大，以減小線間所形成的分布電容和寄生電容。
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