產(chǎn)品的電磁兼容性設(shè)計(jì)（連載）

在產(chǎn)品的電磁兼容性測試中，有一部分是涉及到在電源線上做抗干擾試驗(yàn)的，本文的目的就在于幫助讀者提高產(chǎn)品的電源線抗干擾能力。

1 概述

1.1 干擾的方式

電源線上的干擾有共模和差模兩種方式，如圖2.1所示。

“共?！备蓴_存在于電源任何一相對大地、或中線對大地間。共模干擾有時(shí)也稱縱模干擾、不對稱干擾或接地干擾。這是載流導(dǎo)體與大地之間的干擾。

“差?！备蓴_存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模干擾也稱常模干擾、橫模干擾或?qū)ΨQ干擾。這是載流導(dǎo)體之間的干擾。

共模干擾提示了干擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中來到的。而差模干擾則提示了干擾是源于同一條電源電路的。通常這兩種干擾是同時(shí)存在的，由于線路阻抗的不平衡，兩種干擾在傳輸中還會相互轉(zhuǎn)化，所以情況十分復(fù)雜。干擾經(jīng)長距離傳輸后，差模分量的衰減要比共模大，這是因?yàn)榫€間阻抗與線—地阻抗不同的緣故。出于同一原因，共模干擾在線路傳輸中還會向鄰近空間輻射，而差模則不會，因此共模干擾比差模更容易造成電磁干擾。

不同的干擾方式要采取不同的干擾抑制方法才有效。判斷干擾方式的簡便方法是采用電流探頭。探頭先單獨(dú)環(huán)繞每根導(dǎo)線，得出單根導(dǎo)線的感應(yīng)值；然后再環(huán)繞兩根導(dǎo)線（其中一根是地線）探測其感應(yīng)情況。如感應(yīng)值是增加的，則線路中干擾電流是共模的；反之則是差模的。

1.2 干擾的類型

電源干擾的類型有多種，包括電壓跌落（如重載接通造成電網(wǎng)電壓下跌）、失電（如雷擊、變壓器故障或其他原因造成的短時(shí)停電）、頻率偏移（如發(fā)電機(jī)不穩(wěn)定、區(qū)域性電網(wǎng)故障等）、電氣噪聲（如無線電信號、電廠或工業(yè)設(shè)備的飛弧、開關(guān)電源或大功率逆變設(shè)備等產(chǎn)生的電磁騷擾）、浪涌（如突然減輕負(fù)載、變壓器抽頭不當(dāng)?shù)龋⒅C波失真（如整流、變頻調(diào)速和開關(guān)電源的工作）和瞬變（如雷擊、大功率開關(guān)的切換、對電感性負(fù)載的切換）等等。

1.3 干擾對設(shè)備工作的影響

有三組常被引用的數(shù)據(jù)可供參考：

（1）美國電話、電報(bào)公司（AT＆T）在1982年得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：電壓跌落87％、脈沖干擾7.5％、電源失效4.7％、電壓浪涌0.8％。

（2）美國商用機(jī)器公司（IBM）在1974年得出的結(jié)果為：振蕩瞬變49％、脈沖干擾39.5％、電壓跌落11％、斷電0.5％。

（3）美國海軍在經(jīng)過十年的統(tǒng)計(jì)后得出電壓過低是造成故障的首要原因。

以上三組數(shù)據(jù)結(jié)果大相徑庭，可以用設(shè)備對象不同，測試條件也不盡相同來給以解釋。但不管怎樣，最主要的影響有兩個(gè)，一個(gè)是電源線上的瞬變（包括振蕩瞬變和脈沖干擾）；另一個(gè)是長時(shí)間的電壓過低。

2 干擾的抑制技術(shù)

針對不同的干擾，應(yīng)采取不同的抑制技術(shù)，由簡單的線路清理，至單個(gè)元件的干擾抑制器、濾波器和變壓器，再至比較復(fù)雜的穩(wěn)壓器和凈化電源，以及價(jià)格昂貴而性能完善的不間斷電源，下面分別作簡要敘述。

2.1 專用線路

只要通過對供電線路的簡單清理就可以取得一定的干擾抑制效果。如在三相供電線路中認(rèn)定一相作為干擾敏感設(shè)備的供電電源；以另一相作為外部設(shè)備的供電電源；再以一相作為常用測試儀器或其他輔助設(shè)備的供電電源。這樣的處理可避免設(shè)備間的一些相互干擾，也有利于三相平衡。

值得一提的是在現(xiàn)代電子設(shè)備系統(tǒng)中，由于配電線路中非線性負(fù)載的使用，造成線路中諧波電流的存在，而零序分量諧波在中線里不能相互抵消，反而是疊加，因此過于纖細(xì)的中線會造成線路阻抗的增加，干擾也將增加。同時(shí)過細(xì)的中線還會造成中線過熱。

2.2 瞬變干擾抑制器

屬瞬變干擾抑制器的有氣體放電管、金屬氧化物壓敏電阻、硅瞬變吸收二極管和固體放電管等多種。其中金屬氧化物壓敏電阻和硅瞬變吸收二極管的工作有點(diǎn)象普通的穩(wěn)壓管，是箝位型的干擾吸收器件；而氣體放電管和固體放電管是能量轉(zhuǎn)移型干擾吸收器件（以氣體放電管為例，當(dāng)出現(xiàn)在放電管兩端的電壓超過放電管的著火電壓時(shí)，管內(nèi)的氣體發(fā)生電離，在兩電極間產(chǎn)生電弧。由于電弧的壓降很低，使大部分瞬變能量得以轉(zhuǎn)移，從而保護(hù)設(shè)備免遭瞬變電壓破壞）。瞬變干擾抑制器與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)使用。

（1）氣體放電管

氣體放電管也稱避雷管，目前常用于程控交換機(jī)上。避雷管具有很強(qiáng)的浪涌吸收能力，很高的絕緣電阻和很小的寄生電容，對正常工作的設(shè)備不會帶來任何有害影響。但它對浪涌的起弧響應(yīng)，與對直流電壓的起弧響應(yīng)之間存在很大差異。例如90V氣體放電管對直流的起弧電壓就是90V，而對5kV/μs的浪涌起弧電壓最大值可能達(dá)到1000V。這表明氣體放電管對浪涌電壓的響應(yīng)速度較低。故它比較適合作為線路和設(shè)備的一次保護(hù)。此外，氣體放電管的電壓檔次很少。

（2）金屬氧化物壓敏電阻

由于價(jià)廉，壓敏電阻是目前廣泛應(yīng)用的瞬變干擾吸收器件。

描述壓敏電阻性能的主要參數(shù)是壓敏電阻的標(biāo)稱電壓和通流容量即浪涌電流吸收能力。前者是使用者經(jīng)常易弄混淆的一個(gè)參數(shù)。壓敏電阻標(biāo)稱電壓是指在恒流條件下（外徑為7mm以下的壓敏電阻取0.1mA；7mm以上的取1mA）出現(xiàn)在壓敏電阻兩端的電壓降。由于壓敏電阻有較大的動(dòng)態(tài)電阻，在規(guī)定形狀的沖擊電流下（通常是8/20μs的標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流）出現(xiàn)在壓敏電阻兩端的電壓（亦稱是最大限制電壓）大約是壓敏電阻標(biāo)稱電壓的1.8～2倍（此值也稱殘壓比）。

這就要求使用者在選擇壓敏電阻時(shí)事先有所估計(jì)，對確有可能遇到較大沖擊電流的場合，應(yīng)選擇使用外形尺寸較大的器件（壓敏電阻的電流吸收能力正比于器件的通流面積，耐受電壓正比于器件厚度，而吸收能量正比于器件體積）。

使用壓敏電阻要注意它的固有電容。根據(jù)外形尺寸和標(biāo)稱電壓的不同，電容量在數(shù)千至數(shù)百pF之間，這意味著壓敏電阻不適宜在高頻場合下使用，比較適合于在工頻場合，如作為晶閘管和電源進(jìn)線處作保護(hù)用。

特別要注意的是，壓敏電阻對瞬變干擾吸收時(shí)的高速性能（達(dá)ns)級，故安裝壓敏電阻必須注意其引線的感抗作用，過長的引線會引入由于引線電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓（在示波器上，感應(yīng)電壓呈尖刺狀）。引線越長，感應(yīng)電壓也越大。為取得滿意的干擾抑制效果，應(yīng)盡量縮短其引線。

關(guān)于壓敏電阻的電壓選擇，要考慮被保護(hù)線路可能有的電壓波動(dòng)（一般取1.2～1.4倍）。如果是交流電路，還要注意電壓有效值與峰值之間的關(guān)系。所以對220V線路，所選壓敏電阻的標(biāo)稱電壓應(yīng)當(dāng)是220×1.4×1.4≈430V。

此外，就壓敏電阻的電流吸收能力來說，1kA（對8/20μs的電流波）用在晶閘管保護(hù)上，3kA用在電器設(shè)備的浪涌吸收上；5kA用在雷擊及電子設(shè)備的過壓吸收上；10kA用在雷擊保護(hù)上。

壓敏電阻的電壓檔次較多，適合作設(shè)備的一次或二次保護(hù)。

（3）硅瞬變電壓吸收二極管（TVS管）

硅瞬變電壓吸收二極管具有極快的響應(yīng)時(shí)間（亞納秒級）和相當(dāng)高的浪涌吸收能力，及極多的電壓檔次。可用于保護(hù)設(shè)備或電路免受靜電、電感性負(fù)載切換時(shí)產(chǎn)生的瞬變電壓，以及感應(yīng)雷所產(chǎn)生的過電壓。

TVS管有單方向（單個(gè)二極管）和雙方向（兩個(gè)背對背連接的二極管）兩種，它們的主要參數(shù)是擊穿電壓、漏電流和電容。

使用中TVS管的擊穿電壓要比被保護(hù)電路工作電壓高10％左右，以防止因線路工作電壓接近TVS擊穿電壓，使TVS漏電流影響電路正常工作；也避免因環(huán)境溫度變化導(dǎo)致TVS管擊穿電壓落入線路正常工作電壓的范圍。

TVS管有多種封裝形式，如軸向引線產(chǎn)品可用在電源饋線上；雙列直插的和表面貼裝的適合于在印刷板上作為邏輯電路、I/O總線及數(shù)據(jù)總線的保護(hù)。

TVS管在使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)：

①對瞬變電壓的吸收功率（峰值）與瞬變電壓脈沖寬度間的關(guān)系。手冊給的只是特定脈寬下的吸收功率（峰值），而實(shí)際線路中的脈沖寬度則變化莫測，事前要有估計(jì)。對寬脈沖應(yīng)降額使用。

②對小電流負(fù)載的保護(hù)，可有意識地在線路中增加限流電阻，只要限流電阻的阻值適當(dāng)，不會影響線路的正常工作，但限流電阻對干擾所產(chǎn)生的電流卻會大大減小。這就有可能選用峰值功率較小的TVS管來對小電流負(fù)載線路進(jìn)行保護(hù)。

③對重復(fù)出現(xiàn)的瞬變電壓的抑制，尤其值得注意的是TVS管的穩(wěn)態(tài)平均功率是否在安全范圍之內(nèi)。

④作為半導(dǎo)體器件的TVS管，要注意環(huán)境溫度升高時(shí)的降額使用問題。

⑤特別要注意TVS管的引線長短，以及它與被保護(hù)線路的相對距離。

⑥當(dāng)沒有合適電壓的TVS管供采用時(shí)，允許用多個(gè)TVS管串聯(lián)使用。串聯(lián)管的最大電流決定于所采用管中電流吸收能力最小的一個(gè)。而峰值吸收功率等于這個(gè)電流與串聯(lián)管電壓之和的乘積。

⑦TVS管的結(jié)電容是影響它在高速線路中使用的關(guān)鍵因素，在這種情況下，一般用一個(gè)TVS管與一個(gè)快恢復(fù)二極管以背對背的方式連接，由于快恢復(fù)二極管有較小的結(jié)電容，因而二者串聯(lián)的等效電容也較小，可滿足高頻使用的要求。

（4）固體放電管

固體放電管是一種較新的瞬變干擾吸收器件，具有響應(yīng)速度較快（10～20ns級）、吸收電流較大、動(dòng)作電壓穩(wěn)定和使用壽命長等特點(diǎn)。

固體放電管與氣體放電管同屬能量轉(zhuǎn)移型。圖2.2為其伏安特性。當(dāng)外界干擾低于觸發(fā)電壓時(shí)，管子呈截止?fàn)睢Ｒ坏└蓴_超出觸發(fā)電壓時(shí)，伏安特性發(fā)生轉(zhuǎn)折，進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，此時(shí)電流極大，而導(dǎo)通電阻極小，使干擾能量得以轉(zhuǎn)移。隨著干擾減小，通過放電管電流的回落，當(dāng)放電管的通過電流低于維持電流時(shí)，放電管就迅速走出低阻區(qū)，而回到高阻態(tài)，完成一次放電過程。

固體放電管的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它的短路失效模式（器件失效時(shí)，兩電極間呈短路狀），為不少應(yīng)用場合所必須，已在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

固體放電管的電壓檔次較少，比較適合于作網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備，乃至部件一級的保護(hù)。

2.3 電源線濾波器

電源線濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間，用于抑制電能傳輸中寄生的電磁干擾，對提高設(shè)備的可靠性有重要作用。

（1）電源線濾波器的結(jié)構(gòu)

常用的電源線濾波器是由無源集中參數(shù)（電感、電容和電阻）構(gòu)成的單級線路，如圖2.3所示。

圖中電容CX位于相線與中線之間，用于衰減差模干擾，故俗稱抗差模電容，其電壓額定值與所用電源有關(guān)，對220V交流電源來說，常用250VAC的CBB電容。CX的典型值為幾十至幾百nF之間。匝數(shù)相同的L1和L2同繞在一個(gè)磁芯上，按圖示同名端標(biāo)注，當(dāng)交流電流通過時(shí)，回路中的磁通相互抵消，不會引起磁芯飽和。但對共模電流則呈現(xiàn)大的感抗值，可取得大的濾波效果。鑒于圖中電感的特殊作用，被稱為共模電感。共模電感的電感量與通過電流的大小有關(guān)（電流小，線徑細(xì)，故匝數(shù)可多些。反之亦反），典型值在幾百nH至幾mH之間。位于相線及中線的對地電容Cy，用來衰減共模干擾，故稱為抗共模電容。考慮到電氣設(shè)備要做電源輸入端對外殼的工頻耐壓及工頻泄漏電流試驗(yàn)，Cy的容量不宜太大，一般取1nF至4.7nF；而耐壓選3～6kVDC。電阻R用來消除可能出現(xiàn)在濾波器上的靜電積累，在濾波器制作時(shí)不是必須的。

（2）濾波器的測試

描述濾波器性能的主要參數(shù)是插入損耗。制造商按照CISPR17規(guī)定的方法進(jìn)行測試。目前多用源阻抗為50Ω，負(fù)載阻抗也為50Ω的測試系統(tǒng)進(jìn)行測試，所以濾波器手冊上給的特性參數(shù)實(shí)際上是在特定條件下測得的。

（3）濾波器的安裝

濾波器對電磁干擾的抑制作用不僅取決于它的設(shè)計(jì)和實(shí)際工作條件，而且還取決于濾波器的安裝情況。

首先，濾波器外殼與設(shè)備的金屬機(jī)殼要有可靠接觸，接觸電阻增大會使濾波效果變差。圖2.4可說明這一點(diǎn)。其次，設(shè)備的金屬外殼要接大地，這不僅出于人身安全的考慮，防止濾波器泄漏電流對人體造成危害，同時(shí)也是出于電磁兼容性的考慮，提高設(shè)備的抗干擾能力。

此外，濾波器的引線安裝位置也很重要，必須讓濾波器的輸入和輸出線路之間不存在耦合，否則會導(dǎo)致濾波器濾波性能下降。最好的辦法是，電源線不直接進(jìn)入設(shè)備機(jī)箱，而是經(jīng)過濾波之后才進(jìn)入（如使用帶電源插座的濾波器），利用機(jī)殼的自然屏蔽，把電源線干擾排除在設(shè)備之外。

（4）濾波器的實(shí)際濾波效果

經(jīng)常有人抱怨，說裝置使用濾波器后，效果并不理想。究其原因，除了安裝和使用上的不規(guī)范外，更重要的可能是濾波器與負(fù)載阻抗之間的嚴(yán)重失配（負(fù)載阻抗與干擾源阻抗都不是50Ω），導(dǎo)致濾波性能大大下降，使用者決不要掉以輕心。

（5）提高濾波器性能的一些措施

①使用帶地線電感的濾波器。濾波器雖能抑制相線與中線上的干擾，但對地線上的干擾無能為力，因?yàn)榈鼐€上的干擾照樣可以進(jìn)入設(shè)備。為減少這種干擾，可在圖2.5中的E和E′間加一個(gè)濾波電感LE。這個(gè)電感可為共模干擾提供額外衰減。此時(shí)，設(shè)備機(jī)殼要接大地。

②采用多級濾波器。單級濾波器結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，但與電網(wǎng)及負(fù)載阻抗嚴(yán)重失配，對濾波性能有很大影響。如能采用多級（如三級）濾波器，則在各種情況下都能取得很好的濾波效果，特別是低頻段的特性。當(dāng)然這是以價(jià)格與尺寸為代價(jià)的。

③在有電壓浪涌下使用的濾波器。普通濾波器對于浪涌的抑制能力很差，特別是對于干擾的前沿與脈寬都較大的情況效果就更差。這可以用浪涌波的諧波頻率較低；濾波器與浪涌源的阻抗失配；浪涌波作用下的電感磁芯嚴(yán)重飽和等原因來解釋。為此，有些濾波器制造商把對浪涌有很好吸收作用的壓敏電阻、氣體放電管等也設(shè)計(jì)到濾波器中，一旦浪涌電壓超出吸收器件的門檻時(shí)，吸收器件便發(fā)揮作用。在明白這一道理后，設(shè)計(jì)人員也可將濾波器與吸收器件組合使用。

④新型軟磁材料在抑制低頻共模噪聲中的使用。目前濾波器的低頻特性很差，一方面是受到體積、重量與性價(jià)比的限制，不能在普通設(shè)備中使用高檔濾波器；另一方面是鐵氧體磁芯的動(dòng)態(tài)磁導(dǎo)率不夠高，在低頻時(shí)不能產(chǎn)生足夠大的感抗。80年代時(shí)，將非晶態(tài)磁芯用到濾波器中使濾波器在低頻段的插入損耗有很大提高。非晶態(tài)的優(yōu)點(diǎn)是：

●有高的飽和磁感應(yīng)值Bs，可使磁芯在強(qiáng)脈沖電流下仍不飽和，而繼續(xù)保持高的電感量和插入損耗。

●高的磁導(dǎo)率（特別是在低于1MHz的頻段內(nèi)）使要求同樣插入損耗的濾波器體積和重量大大減小。

●熱穩(wěn)定性好（居里點(diǎn)高）。

為此有人建議將這類磁芯與鐵氧體磁芯組成兩級濾波器，各在不同頻段內(nèi)發(fā)揮作用，使新濾波器的體積、重量和性價(jià)比都得到改進(jìn)。另外由于在強(qiáng)脈沖電流下不易飽和的特點(diǎn)，還特別適合于制作抑制脈沖性質(zhì)的傳導(dǎo)干擾的濾波器。

⑤加接有耗元件來改進(jìn)普通濾波器的高頻特性。普通濾波器是由無損耗的電抗元件構(gòu)成的，它在線路中的作用是將阻帶頻率反射回信號源，所以這類濾波器又叫反射濾波器。當(dāng)反射濾波器與信號源阻抗不匹配時(shí)，就會有一部分能量被反射回信號源，導(dǎo)致干擾電平的增強(qiáng)。為解決這一弊病，可使用鐵氧體磁環(huán)或磁珠套在濾波器的進(jìn)線上，利用磁環(huán)或磁珠對高頻信號的渦流損耗，把高頻成分轉(zhuǎn)化為熱損耗。所以磁環(huán)和磁珠實(shí)際上對高頻成分起吸收作用，故有時(shí)也稱之為吸收濾波器。注意，所用的是有耗材料。

（6）濾波器使用中的注意事項(xiàng)

①對濾波器的選擇，除滿足電磁兼容性外，還要注意安全性（要考慮安全認(rèn)證）。

②在某些情況下，用戶喜歡自行搭制簡易濾波器，這時(shí)要特別注意線路結(jié)構(gòu)。元件的寄生參數(shù)，引線的長度等都可能是限制阻帶寬度和插入損耗的關(guān)鍵因素。特別是當(dāng)工作頻率提高時(shí)，更不容忽視。

③對鐵氧體磁環(huán)和磁珠構(gòu)成的吸收濾波器，除了應(yīng)選用高磁導(dǎo)率的有耗材料外，還要注意它的應(yīng)用場合。它們在線路中對高頻成分所呈現(xiàn)的電阻大約是十至幾百Ω，因此它在高阻抗電路中的作用并不明顯，相反，在低阻抗電路（如功率分配、電源或射頻電路）中使用將非常有效。

2.4 隔離變壓器

隔離變壓器是一種廣泛使用的電源線干擾抑制措施。其基本作用是實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離，解決由地線環(huán)路帶來的設(shè)備間相互干擾。下面簡述普通隔離變壓器、帶屏蔽的隔離變壓器和性能完善的隔離變壓器及其抗干擾效果。

（1）普通隔離變壓器

這是一種最簡單的隔離變壓器，在初級與次級間不設(shè)屏蔽層。它可解決輸入與輸出間的電隔離，從而解決公共地的問題。

普通隔離變壓器對共模有一定抑制作用，但因繞組間分布電容使它對共模干擾的抑制效果隨頻率升高而下降。

普通隔離變壓器對共模干擾的抑制作用可用初次級間的分布電容和設(shè)備對地分布電容之比值來估算。通常初次級間的分布電容為幾百pF，設(shè)備對地分布電容為幾～幾十nF，因此共模干擾的衰減值在10～20倍左右，即20～30dB。

（2）帶屏蔽層的隔離變壓器

對普通隔離變壓器共模抑制能力的分析表明，要獲得衰減大，關(guān)鍵是要耦合電容小。為此，在變壓器初次級間增設(shè)屏蔽層，如圖2.6所示。屏蔽層對變壓器的能量傳輸無不良影響，但影響繞組間的耦合電容。從圖中可看出，要使共模抑制性能好，屏蔽層的良好接地最重要。

圖中C1：初級繞組與屏蔽層之間的分布電容

C2：次級繞組與屏蔽層之間的分布電容

ZC1：C1的阻抗ZC2：C2的阻抗

f：干擾的頻率ZE：屏蔽層的接地阻抗

Z2：負(fù)載的對地阻抗

e1：初級干擾（共模型）電壓

e2：次級干擾（共模型）電壓

e2=e1[(ZE)/(Zc1)]×[(Z2)/(Zc2)

ZC1=1/2πfC1

ZC2=1/2πfC2

這里：ZC1>ZE，ZC2>Z2故e1>>e2

帶屏蔽層的隔離變壓器除了能抑制共模干擾外，利用屏蔽層還可以抑制差模干擾，如圖2.7所示。具體做法是將變壓器屏蔽層接至初級的中線端。對50Hz工頻來說，由于初級與屏蔽層構(gòu)成的容抗很高，故仍通過變壓器效應(yīng)傳遞到次級，而未被衰減。對頻率較高的差模干擾，由于初級與屏蔽層間容抗變小，使這部分干擾經(jīng)由分布電容及屏蔽層與初級中線端的連線直接返回電網(wǎng)，而不進(jìn)入次級回路。

（3）超級隔離變壓器

超級隔離變壓器是性能較完善的多重屏蔽隔離變壓器，對共模與差模干擾都有較強(qiáng)的抑制能力。

雙重屏蔽的隔離變壓器如圖2.8(a)所示，是最簡單的多重屏蔽隔離變壓器，一個(gè)屏蔽層接變壓器初級的中線，以降低差模干擾；另一層接大地，以抑制共模干擾。

更完善的多重屏蔽的隔離變壓器如圖2.8（b）所示，為三重屏蔽的隔離變壓器?？拷跫壍钠帘螌咏映跫壷芯€；中間的屏蔽層則與變壓器外殼連在一起，再接大地；靠近次級的屏蔽層，接次級的一個(gè)端子。

上述三種隔離變壓器的干擾抑制特性如圖2.9所示。

至此，用已經(jīng)介紹過的三種器件（瞬變干擾吸收器、電源線濾波器和隔離變壓器）可解決IBM公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中因電源原因造成計(jì)算機(jī)故障成因的88.5％。

2.5 交流穩(wěn)壓器

在輸入電壓和負(fù)載電流變化時(shí)，交流穩(wěn)壓器可以把其輸出電壓保持在允許范圍內(nèi)。下面將逐個(gè)介紹各種穩(wěn)壓電源，并指出它們的主要優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）鐵磁諧振交流穩(wěn)壓電源

這是一種簡單、可靠性較高的交流穩(wěn)壓電源，基本線路如圖2.10所示。

由于電容C兩端并聯(lián)了飽和電抗器Ls，所以使等效的并聯(lián)電容呈現(xiàn)了非線性。這種非線性隨Ls的飽和程度而變化，而Ls的飽和程度又在輸入電壓Ui和負(fù)載阻抗ZL變化時(shí)自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)Ui較低時(shí)，可使UO高于Ui；而在Ui較高時(shí)，又可使UO低于Ui，從而使輸出電壓UO保持穩(wěn)定。由此可見，它是靠改變Ls的飽和程度，而使Ls與C的并聯(lián)容抗和L產(chǎn)生諧振來實(shí)現(xiàn)的。在靜態(tài)條件下，它的穩(wěn)壓精度可以達(dá)到±1～±2％

這種交流穩(wěn)壓電源的缺點(diǎn)是：

①穩(wěn)壓精度與負(fù)載的功率因數(shù)有關(guān)；

②電網(wǎng)頻率變化時(shí)可引起穩(wěn)壓電源內(nèi)部的感抗和容抗值改變，從而影響穩(wěn)壓精度；

③輸出電壓的波形失真較大（輸出電壓波形呈梯形狀）；

④輸出電壓相對輸入有相移；

⑤工作有噪音。

這種交流穩(wěn)壓電源的最大優(yōu)點(diǎn)是過載能力強(qiáng)，甚至當(dāng)輸出端發(fā)生短路時(shí)也不會引起供電線路短路，這表明它有相對較高的輸出阻抗。但鐵磁諧振交流穩(wěn)壓電源的這種特點(diǎn)在起動(dòng)電流大的負(fù)載時(shí)，又可能成為缺點(diǎn)，將有可能使這類負(fù)載步入不了正常運(yùn)行階段。

（2）參數(shù)調(diào)整型交流穩(wěn)壓電源

這類穩(wěn)壓電源在我國已有較長的使用歷史，早年實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的“614”穩(wěn)壓器就是一典型例子。其原理線路如圖2.11所示。

圖中TA是自耦變壓器；AM是磁放大器，N2則是直流控制繞組。Uy是由輸出采樣及經(jīng)由直流放大電路引來的直流控制電壓，通過這個(gè)電壓產(chǎn)生的電流Iy將改變交流繞組的電感量，進(jìn)而改變TA的電流I1及補(bǔ)償電壓ΔU的值，最后可保持輸出電壓UO的穩(wěn)定。圖2.11中的L和C用于吸收線路中的3次諧波，以減少UO的波形失真。

圖2.12是圖2.11的改進(jìn)線路（以雙向晶閘管調(diào)感技術(shù)來代替磁放大器）。圖中電感L2中的N1和N2以及L3處在線性耦合狀態(tài)，線路由N2上取得補(bǔ)償電壓。L3與C2的串聯(lián)支路用于消除諧波的影響。雙向晶閘管S與電感L1組成的支路與C1并聯(lián)諧振，這里利用對晶閘管S的相位控制來改變電感L的參數(shù)，最終影響ΔU的值，使輸出UO保持穩(wěn)定。

后者是目前宣傳和應(yīng)用較多的交流穩(wěn)壓電源。有人給它冠名為“凈化電源”，原因是相對鐵磁諧振穩(wěn)壓電源來說，它抑制了交流輸出電壓中的部分諧波。

這種穩(wěn)壓電源的穩(wěn)壓精度較高，可優(yōu)于±1％。

但這種穩(wěn)壓電源在帶非線性負(fù)載（如計(jì)算機(jī)）時(shí)，可能有低頻振蕩現(xiàn)象。另外，輸入側(cè)的電流諧波較大；功率因數(shù)較低；輸出電壓相對輸入有一定相移。

（3）伺服型交流穩(wěn)壓電源

這也是一種較早使用的交流穩(wěn)壓電源，如圖2.13所示。在一臺帶有若干抽頭的自耦變壓器上[見圖2.13（a）；在小功率場合下，也有采用自耦式調(diào)壓變壓器的，見圖2.13（b）]，利用監(jiān)視變壓器輸出電壓的辦法來驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)改變變壓器輸出抽頭的位置，最終使自耦變壓器的輸出維持在負(fù)載所允許的范圍內(nèi)。

這種穩(wěn)壓器的響應(yīng)速度較低（達(dá)秒級）；而且在調(diào)整過程中還會產(chǎn)生許多尖峰和振鈴干擾。為此，在實(shí)驗(yàn)室里要慎用。

（4）分級調(diào)整的寬限交流穩(wěn)壓電源

是常見的家用交流穩(wěn)壓器，和圖2.13(a)一樣，也是多抽頭的自耦變壓器，但抽頭位置由繼電器轉(zhuǎn)換，由于家用電器都有一定的電壓適應(yīng)范圍，所以穩(wěn)壓精度不是主要問題，但輸入電壓的適應(yīng)范圍要寬。

這類穩(wěn)壓電源的價(jià)格低廉。但缺點(diǎn)也是明顯的：如穩(wěn)壓精度不高；在繼電器轉(zhuǎn)換過程中伴有電火花帶來的尖峰干擾。對后一缺點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)慎用。

（5）真正意義上的凈化電源

對大多數(shù)電氣和電子設(shè)備來說，都有一定的電壓適應(yīng)范圍，故穩(wěn)壓精度不是主要問題，但要求穩(wěn)壓電源的電壓適應(yīng)范圍寬，對電網(wǎng)或負(fù)載變化的響應(yīng)速度要高，尤其是要抑制掉存在于電網(wǎng)中的瞬變干擾。因?yàn)楫?dāng)今電子設(shè)備的小型化、數(shù)字化和低功耗化，對電網(wǎng)的瞬變干擾尤其敏感。

為此，真正意義上的凈化電源采用了多抽頭的超級隔離變壓器（圖2.14）。其中，超級隔離變壓器對干擾抑制特別有效；對多抽頭的繞組則改用無觸點(diǎn)的雙向晶閘管，配用數(shù)字電路或單片機(jī)來控制。針對后者，有時(shí)也稱它為數(shù)控型凈化電源。這種電源可做到在上半周波發(fā)現(xiàn)有過壓或欠壓現(xiàn)象，下半周波即進(jìn)行調(diào)整，故響應(yīng)速度可小于10ms。

利用這種凈化電源可以解決IBM公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的99.5％的問題（88.5％是各種瞬變干擾，由超級隔離變壓器解決；11％是電壓不穩(wěn)，由多抽頭選擇切換解決）。

（6）開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源

把先進(jìn)的高頻開關(guān)電源技術(shù)引入交流穩(wěn)壓電源中，可以得到小型、輕量、高效及響應(yīng)速度高的開關(guān)型交流穩(wěn)壓電源。目前屬發(fā)展方向，但因其復(fù)雜、價(jià)昂而難于推廣。

（7）不間斷電源

按IBM的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，因電源問題而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)故障的最后05％便是斷電，當(dāng)前主要是采用不間斷電源來解決的。

①不間斷電源的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

從不間斷電源的電路結(jié)構(gòu)和供電情況看，主要有三類：

●電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)組

這是較早發(fā)展的一種不間斷電源，主要由直流電動(dòng)機(jī)（交流電經(jīng)整流后供電）驅(qū)動(dòng)的慣性飛輪和交流發(fā)電機(jī)組組成，一旦電網(wǎng)停電，利用飛輪的慣性儲能，使發(fā)電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)供電；與此同時(shí)，起動(dòng)備用的柴油發(fā)電機(jī)組，當(dāng)油機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速相同時(shí)，油機(jī)離合器與發(fā)電機(jī)相聯(lián)，完成由市電到油機(jī)的轉(zhuǎn)換。其特點(diǎn)是穩(wěn)壓可靠，但體積和噪聲都較大。

●靜態(tài)后備式

電網(wǎng)正常時(shí)，靜態(tài)后備式不間斷電源處在旁通狀態(tài)，即市電經(jīng)輸入濾波器及靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)直接輸送給負(fù)載；與此同時(shí)，市電通過充電器向蓄電池充電。這時(shí)逆變器不工作。只是當(dāng)斷電發(fā)生時(shí)，才將靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)切換到逆變器一側(cè)（一般需2～4ms），逆變器起動(dòng)，將蓄電池中儲存的能量轉(zhuǎn)變成交流電，輸送給負(fù)載。

靜態(tài)后備式不間斷電源的特點(diǎn)是簡單、小巧、價(jià)格便宜。但電壓輸出直接受電網(wǎng)波動(dòng)的影響，且對電網(wǎng)中的突變干擾無能為力。故供電質(zhì)量不高，只適宜在一般不太重要的場合中使用。

靜態(tài)后備式不間斷電源主要是單相和小容量的（幾百VA至1～2kVA）。另外，由于內(nèi)部電池的容量有限，在滿載時(shí)的電池備援供電時(shí)間為10～30min；半載時(shí)為30～60min。

●靜態(tài)在線式

在靜態(tài)在線式不間斷電源中，交流市電不直接對負(fù)載供電，而是經(jīng)過整流后對蓄電池充電，由蓄電池給逆變器供電，再由逆變器把直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電給負(fù)載供電。這過程本身也提高了靜態(tài)在線式不間斷電源輸出電壓的濾波作用。

斷電時(shí)，蓄電池不再充電，但給逆變器供電的情況沒有改變，故不間斷電源仍然給負(fù)載提供交流電源，這一切都是在用戶不知情的情況下完成的，不存在掉電轉(zhuǎn)換時(shí)間。

靜態(tài)在線式不間斷電源的線路復(fù)雜，保護(hù)和擴(kuò)展功能強(qiáng)，能適應(yīng)較寬的市電電壓波動(dòng)及頻率跟蹤范圍，保持不間斷電源與市電在頻率上一致和相位上同步。當(dāng)逆變器發(fā)生輸出過電壓、過電流或不間斷電源故障時(shí)，逆變器會自動(dòng)關(guān)閉，并通過靜態(tài)轉(zhuǎn)移開關(guān)轉(zhuǎn)到旁通位置，直接由市電給負(fù)載供電。

靜態(tài)在線式不間斷電源的容量一般較大，在幾kVA，最大可達(dá)幾百kVA。對三相大功率的不間斷電源，常用于航空交通控制中心，國防電子計(jì)算機(jī)中心，商用計(jì)算機(jī)運(yùn)行中心，國際信息傳遞中心，醫(yī)院電子計(jì)算機(jī)及監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，機(jī)場跑道照明等重要場合。

②不間斷電源的主要性能指標(biāo)

●輸入電壓：一般為額定電壓的±10％、±15％或＋15％、－25％等等。輸入電壓允許范圍越寬，將來直接由蓄電池供電的機(jī)會就越少。避免了不間斷電源經(jīng)常工作在蓄電池供電狀態(tài)，而主要處在待命狀態(tài)。

●輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波：以直接采用整流濾波的單相電路為例，由于輸入電流呈脈沖狀，電流集中在輸入電壓峰值附近，因此輸入功率因數(shù)較低，一般在0.7左右，輸入的諧波也較大。諧波對電網(wǎng)造成很大的污染：會使同一電網(wǎng)中的變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器等產(chǎn)生附加的損耗，通過發(fā)熱加速絕緣老化；諧波會使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩降低、振動(dòng)加劇、噪聲增大；高次諧波還會對電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生干擾；諧波還會影響到電能計(jì)量的精度。所以輸入功率因數(shù)和輸入電流諧波是判斷不間斷電源的重要指標(biāo)，對大容量的不間斷電源尤其如此。通常要求輸入功率因數(shù)在0.95以上；輸入諧波5％。

●對輸入頻率的跟蹤與頻率穩(wěn)定度：對在線式不間斷電源來說，為防止由逆變器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為旁通時(shí)，逆變器因環(huán)流而造成損壞，要求正常工作的逆變器對電網(wǎng)頻率和相位進(jìn)行跟蹤。

●狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間：對后備式不間斷電源來說，從旁通轉(zhuǎn)為由逆變器供電，有一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間問題；對在線式不間斷電源來說，從逆變器供電轉(zhuǎn)變?yōu)榕酝顟B(tài)，也存在一個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間問題。通常都要求在4ms以下。

●輸出波形及失真度：后備式不間斷電源的輸出多數(shù)為方波，而在線式不間斷電源一般為正弦波。失真度則用以表示線性負(fù)載時(shí)的輸出波形中諧波含量與基波之比。對方波而言，由于諧波含量大，一般不再給出其失真度。只有對正弦輸出的電源才給出這一指標(biāo)，通常要求3％。

●輸出電壓的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度：前者指電壓的穩(wěn)壓精度，通常為額定值的±（1～3）％；后者指負(fù)載自空載至滿載時(shí)，輸出電壓的變化量及恢復(fù)至正常電壓所需的時(shí)間，在動(dòng)態(tài)情況下的輸出電壓變動(dòng)約為靜態(tài)值的±5％；動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間約為20ms左右。

·輸出功率因數(shù)，輸出電流波峰系數(shù)，輸出過載能力等等：它們直接反映了不間斷電源的輸出能力。負(fù)載功率因數(shù)反映了對負(fù)載的適應(yīng)能力，一般要求為0.8，對低功率因數(shù)的負(fù)載則要求低至0.5。輸出電流波峰系數(shù)的高低則在一定程度上反映了不間斷電源的過載能力，不同的不間斷電源，過載能力也不同。

●效率：是不間斷電源的重要指標(biāo)，對大功率電源來說，尤其如此。這影響電源的溫升和壽命，也影響為調(diào)節(jié)環(huán)境溫度而需要的投資費(fèi)用。通常要求不間斷電源的效率>85％。

●其他：如不間斷電源的保護(hù)功能（包括過載時(shí)的自動(dòng)轉(zhuǎn)旁通供電；電池的過充電或過放電保護(hù)；電源設(shè)備的熱保護(hù)）；工作條件（包括環(huán)境溫度、相對濕度和海拔高度等。一般環(huán)境溫度為0～40℃；濕度在25℃時(shí)為80％～95％；海拔不超過3000m）；工作噪音等等。