在产品的电磁兼容性测试中,有一部分是涉及到在电源线上做抗干扰试验的,本文的目的就在于帮助读者提高产品的电源线抗干扰能力。

1 概述

1.1 干扰的方式

电源线上的干扰有共模和差模两种方式,如图2.1所示。

“共模”干扰存在于电源任何一相对大地、或中线对大地间。共模干扰有时也称纵模干扰、不对称干扰或接地干扰。这是载流导体与大地之间的干扰。

“差模”干扰存在于电源相线与中线及相线与相线之间。差模干扰也称常模干扰、横模干扰或对称干扰。这是载流导体之间的干扰。

共模干扰提示了干扰是由辐射或串扰耦合到电路中来到的。而差模干扰则提示了干扰是源于同一条电源电路的。通常这两种干扰是同时存在的,由于线路阻抗的不平衡,两种干扰在传输中还会相互转化,所以情况十分复杂。干扰经长距离传输后,差模分量的衰减要比共模大,这是因为线间阻抗与线—地阻抗不同的缘故。出于同一原因,共模干扰在线路传输中还会向邻近空间辐射,而差模则不会,因此共模干扰比差模更容易造成电磁干扰。

不同的干扰方式要采取不同的干扰抑制方法才有效。判断干扰方式的简便方法是采用电流探头。探头先单独环绕每根导线,得出单根导线的感应值;然后再环绕两根导线（其中一根是地线）探测其感应情况。如感应值是增加的,则线路中干扰电流是共模的;反之则是差模的。

1.2 干扰的类型

电源干扰的类型有多种,包括电压跌落（如重载接通造成电网电压下跌）、失电（如雷击、变压器故障或其他原因造成的短时停电）、频率偏移（如发电机不稳定、区域性电网故障等）、电气噪声（如无线电信号、电厂或工业设备的飞弧、开关电源或大功率逆变设备等产生的电磁骚扰）、浪涌（如突然减轻负载、变压器抽头不当等）、谐波失真（如整流、变频调速和开关电源的工作）和瞬变（如雷击、大功率开关的切换、对电感性负载的切换）等等。

1.3 干扰对设备工作的影响

有三组常被引用的数据可供参考：（1）美国电话、电报公司（AT＆T）在1982年得出的统计结果为：电压跌落87％、脉冲干扰7.5％、电源失效4.7％、电压浪涌0.8％。（2）美国商用机器公司（IBM）在1974年得出的结果为：振荡瞬变49％、脉冲干扰39.5％、电压跌落11％、断电0.5％。（3）美国海军在经过十年的统计后得出电压过低是造成故障的首要原因。

以上三组数据结果大相径庭,可以用设备对象不同,测试条件也不尽相同来给以解释。但不管怎样,最主要的影响有两个,一个是电源线上的瞬变（包括振荡瞬变和脉冲干扰）;另一个是长时间的电压过低。

2 干扰的抑制技术

针对不同的干扰,应采取不同的抑制技术,由简单的线路清理,至单个元件的干扰抑制器、滤波器和变压器,再至比较复杂的稳压器和净化电源,以及价格昂贵而性能完善的不间断电源,下面分别作简要叙述。

2.1 专用线路

只要通过对供电线路的简单清理就可以取得一定的干扰抑制效果。如在三相供电线路中认定一相作为干扰敏感设备的供电电源;以另一相作为外部设备的供电电源;再以一相作为常用测试仪器或其他辅助设备的供电电源。这样的处理可避免设备间的一些相互干扰,也有利于三相平衡。

值得一提的是在现代电子设备系统中,由于配电线路中非线性负载的使用,造成线路中谐波电流的存在,而零序分量谐波在中线里不能相互抵消,反而是叠加,因此过于纤细的中线会造成线路阻抗的增加,干扰也将增加。同时过细的中线还会造成中线过热。

2.2 瞬变干扰抑制器

属瞬变干扰抑制器的有气体放电管、金属氧化物压敏电阻、硅瞬变吸收二极管和固体放电管等多种。其中金属氧化物压敏电阻和硅瞬变吸收二极管的工作有点象普通的稳压管,是箝位型的干扰吸收器件;而气体放电管和固体放电管是能量转移型干扰吸收器件（以气体放电管为例,当出现在放电管两端的电压超过放电管的着火电压时,管内的气体发生电离,在两电极间产生电弧。由于电弧的压降很低,使大部分瞬变能量得以转移,从而保护设备免遭瞬变电压破坏）。瞬变干扰抑制器与被保护设备并联使用。

（1）气体放电管

气体放电管也称避雷管,目前常用于程控交换机上。避雷管具有很强的浪涌吸收能力,很高的绝缘电阻和很小的寄生电容,对正常工作的设备不会带来任何有害影响。但它对浪涌的起弧响应,与对直流电压的起弧响应之间存在很大差异。例如90V气体放电管对直流的起弧电压就是90V,而对5kV/μs的浪涌起弧电压最大值可能达到1000V。这表明气体放电管对浪涌电压的响应速度较低。故它比较适合作为线路和设备的一次保护。此外,气体放电管的电压档次很少。

（2）金属氧化物压敏电阻

由于价廉,压敏电阻是目前广泛应用的瞬变干扰吸收器件。

描述压敏电阻性能的主要参数是压敏电阻的标称电压和通流容量即浪涌电流吸收能力。前者是使用者经常易弄混淆的一个参数。压敏电阻标称电压是指在恒流条件下（外径为7mm以下的压敏电阻取0.1mA;7mm以上的取1mA）出现在压敏电阻两端的电压降。由于压敏电阻有较大的动态电阻,在规定形状的冲击电流下（通常是8/20μs的标准冲击电流）出现在压敏电阻两端的电压（亦称是最大限制电压）大约是压敏电阻标称电压的1.8～2倍（此值也称残压比）。

这就要求使用者在选择压敏电阻时事先有所估计,对确有可能遇到较大冲击电流的场合,应选择使用外形尺寸较大的器件（压敏电阻的电流吸收能力正比于器件的通流面积,耐受电压正比于器件厚度,而吸收能量正比于器件体积）。

使用压敏电阻要注意它的固有电容。根据外形尺寸和标称电压的不同,电容量在数千至数百pF之间,这意味着压敏电阻不适宜在高频场合下使用,比较适合于在工频场合,如作为晶闸管和电源进线处作保护用。

特别要注意的是,压敏电阻对瞬变干扰吸收时的高速性能（达ns)级,故安装压敏电阻必须注意其引线的感抗作用,过长的引线会引入由于引线电感产生的感应电压（在示波器上,感应电压呈尖刺状）。引线越长,感应电压也越大。为取得满意的干扰抑制效果,应尽量缩短其引线。

关于压敏电阻的电压选择,要考虑被保护线路可能有的电压波动（一般取1.2～1.4倍）。如果是交流电路,还要注意电压有效值与峰值之间的关系。所以对220V线路,所选压敏电阻的标称电压应当是220×1.4×1.4≈430V。

此外,就压敏电阻的电流吸收能力来说,1kA（对8/20μs的电流波）用在晶闸管保护上,3kA用在电器设备的浪涌吸收上;5kA用在雷击及电子设备的过压吸收上;10kA用在雷击保护上。

压敏电阻的电压档次较多,适合作设备的一次或二次保护。

（3）硅瞬变电压吸收二极管（TVS管）

硅瞬变电压吸收二极管具有极快的响应时间（亚纳秒级）和相当高的浪涌吸收能力,及极多的电压档次。可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压,以及感应雷所产生的过电压。

TVS管有单方向（单个二极管）和双方向（两个背对背连接的二极管）两种,它们的主要参数是击穿电压、漏电流和电容。

使用中TVS管的击穿电压要比被保护电路工作电压高10％左右,以防止因线路工作电压接近TVS击穿电压,使TVS漏电流影响电路正常工作;也避免因环境温度变化导致TVS管击穿电压落入线路正常工作电压的范围。

TVS管有多种封装形式,如轴向引线产品可用在电源馈线上;双列直插的和表面贴装的适合于在印刷板上作为逻辑电路、I/O总线及数据总线的保护。

TVS管在使用中应注意的事项：
①对瞬变电压的吸收功率（峰值）与瞬变电压脉冲宽度间的关系。手册给的只是特定脉宽下的吸收功率（峰值）,而实际线路中的脉冲宽度则变化莫测,事前要有估计。对宽脉冲应降额使用。
②对小电流负载的保护,可有意识地在线路中增加限流电阻,只要限流电阻的阻值适当,不会影响线路的正常工作,但限流电阻对干扰所产生的电流却会大大减小。这就有可能选用峰值功率较小的TVS管来对小电流负载线路进行保护。
③对重复出现的瞬变电压的抑制,尤其值得注意的是TVS管的稳态平均功率是否在安全范围之内。
④作为半导体器件的TVS管,要注意环境温度升高时的降额使用问题。
⑤特别要注意TVS管的引线长短,以及它与被保护线路的相对距离。
⑥当没有合适电压的TVS管供采用时,允许用多个TVS管串联使用。串联管的最大电流决定于所采用管中电流吸收能力最小的一个。而峰值吸收功率等于这个电流与串联管电压之和的乘积。
⑦TVS管的结电容是影响它在高速线路中使用的关键因素,在这种情况下,一般用一个TVS管与一个快恢复二极管以背对背的方式连接,由于快恢复二极管有较小的结电容,因而二者串联的等效电容也较小,可满足高频使用的要求。

（4）固体放电管

固体放电管是一种较新的瞬变干扰吸收器件,具有响应速度较快（10～20ns级）、吸收电流较大、动作电压稳定和使用寿命长等特点。

固体放电管与气体放电管同属能量转移型。图2.2为其伏安特性。当外界干扰低于触发电压时,管子呈截止状。一旦干扰超出触发电压时,伏安特性发生转折,进入负阻区,此时电流极大,而导通电阻极小,使干扰能量得以转移。随着干扰减小,通过放电管电流的回落,当放电管的通过电流低于维持电流时,放电管就迅速走出低阻区,而回到高阻态,完成一次放电过程。

固体放电管的一个优点是它的短路失效模式（器件失效时,两电极间呈短路状）,为不少应用场合所必须,已在国内外得到广泛应用。

固体放电管的电压档次较少,比较适合于作网络、通信设备,乃至部件一级的保护。