传感器开关电源电磁干扰抑制方法

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摘要：分析了典型煤矿用传感器中开关电源电磁干扰产生的主要来源，提出了干扰具体抑制方法，搭建了验证电路；采用模拟分析和试验验证，证明此方法可大体消除了开关电源输出信号的尖峰干扰，对开关电源电路中的共模、差模噪声具有明显抑制作用，对增强煤矿用传感器的可靠性具有指导性意义。

关键词：矿用传感器；开关电源；寄生参数；尖峰干扰；滤波器开关

电源的制造和工作机理也决定了其中存在工作电容、电感和寄生电容、电感。由于电感的电流不能突变，电容电压不能突变，因此，开关电源工作过程中，功率半导体器件高速通断使瞬态变化不可避免的频繁产生，由于瞬态变化产生的尖峰脉冲电压和浪涌脉冲电流成是开关电源的主要电磁干扰源[1]。煤矿监测监控用电源箱多为隔爆兼本安性设备，按煤矿有关规定，不能布置于工作面等场所，而工作面为煤矿主要作业地点，布置有大量的传感器，通常传感器到供电电源箱距离较长，因此提高传感器受电电源效率就成为煤矿用传感器的技术关键点之一，由于开关电源具有体积小、质量轻、效率高等方面的优点，目前采用开关电源是唯一成熟的技术方案[2]，传感器是煤矿监测监控的感知前端，其可靠性对整个煤矿的生产管理具有重要意义，开关电源是传感器的核心单元之一，其电磁辐射强度直接影响到传感器的可靠性，并对整个监测网络上的其他设备也有一定的影响，因此，降低开关电源的电磁干扰对提升煤矿用传感器的恶劣电磁环境适用性具有重要意义[3]。

1开关电源的电磁干扰分析

在开关电源工作过程存在电流、电压的高频瞬态变化，瞬态变化产生高频的dI/dt和dU/dt，随之形成的浪涌电流和尖峰电压产生强烈电磁干扰，只有抑制此类干扰，才能从根本上弱化电磁干扰。由于在开关电源工作过程中不可避免的采用工频滤波整流的方法，其中，大电容的快速充电放电、开关管开关状态的高频切换和续流二极管的频繁反向恢复都属于这类干扰[4]。开关电源中整流管的驱动波形、场效应二极管的漏源波形和续流管的恢复波形等基本上接近于非定频率的高频矩形波，其周期的倒数决定了基波频率，脉冲边缘上升时间与下降时间的和倒数决定了倍频频率分量的频率值，通常情况下基波频率在10～2000MHz范围内，谐波频率为基波频率的奇数倍，具有更高的频率特征，这些高频信号会对开关电源输出电压的纹波、控制电路的稳定性造成较强的干扰[5]。在煤矿用传感器上，主要表现为传导干扰和辐射干扰。其中，由于功率开关管通断时间很短，产生较大的电压变化率和电流变化率，并且开通回路中有电感存在，导致发生较高的尖峰电压和尖峰电流，由此产生的干扰通过引线传导，形成高频传导干扰；整流二极管产生的噪声干扰：整流二极管的非线性造成二极管导通角变小，同时，在滤波电容的储能作用下，由此产生了时间短、峰值高的尖峰传导电流，其中谐波分量丰富，频率通常在1000MHz左右，对控制器件的采样环节产生严重的干扰；功率电感产生的辐射干扰：由于绕制工艺制约，功率电感的不可避免的存在漏感，漏感将产生电磁辐射，造成辐射干扰，功率电感中流过脉冲电流，脉冲电流引起的电磁变化也会产生辐射干扰，开关电源工作时，续流二极管二次和滤波电容形成高频续流回路，由于切换频率较高，形成较大的电压变化率和电流变化率，向空间辐射噪声，形成辐射干扰；另外，开关管、散热片、电感的分布电容及分布电感也会形成电磁变化，形成空间辐射干扰[6]。

2开关电源的电磁干扰抑制措施

干扰源、耦合通路和敏感体是电磁兼容的三要素，屏蔽干扰源、切断耦合通路和强化敏感体的抗干扰能力是解决电磁兼容问题的3种技术途径，采取以上任何一种技术途径都可以弱化电磁干扰：提升抗扰度能力。开关电源工作在高频开关状态，因具体开关电源工作原理不同而表现方式多种多样，电磁兼容性问题比较复杂，但在原理上仍符合基本的抗扰度电路模型，从三要素入手仍可得到有效的抑制方法，目前煤矿传感器多采用开关电源控制集成电路联合器件的方案，一但集成电路选定后，电磁抑制只能从器件的选择和配置上寻求解决方案[7]。

2.1抑制开关电源中电磁干扰源

为保证煤矿用传感器的多电压供电需求，常用变压器加二极管整流的方式输出多组不同等级的电压，如上文所属，同样不可避免的存在传导干扰和空间电磁辐射干扰，通过饱和电感Ls串联在整流二极管上的方法抑制电磁干扰，饱和电感在减小二极管反向恢复电流中的应用如图1，其中，用具有制作饱和电感Ls的磁芯效果更优。由于使用矩形BH曲线磁性材料做的磁芯电感具有磁导率高的显著特点，在BH曲线上有一段可以快速进入饱和区的近似垂直线性区，实际工程应用中，在二极管导通状态下，使饱和电感近似于理想金属导体，工作在饱和状态，当二极管关断时，饱和电感近似于理想电感，工作在电感特性状态下，可以有效抑制反向恢复电流的快速大范围变化，起到弱化对外部干扰的作用[8]。

2.2切断电磁干扰传输途径

线上干扰是开关电源众多干扰的主要体现，使用电源线滤波器可以有效抑制电源线干扰，对电源线上差模干扰和共模干扰的抑制能力决定了电源线滤波器的效能。开关电源电磁干扰滤波器如图2。如图2，L1为共模电感，CY1和CY2为共模电容，CX1和CX2为差模电容，其中，共模滤波元件分别对共模干扰有较强的衰减作用，差模滤波元件对差模干扰有较强的衰减作用，对于共模干扰，共同1个磁环上，通常使用漏磁小、效率高的环形磁芯，2个绕组绕制时的匝数相同、绕向相反，构建共模电感L1，但在实际使用中，由于工艺问题，2个电感绕组不可能各项参数完全接近，存在一定的差异性，使2个绕组的电感值不可能完全相同，存在一定的差值，此差值正好等同于差模电感，因此，不必再单独构建独立的差模电感，这样可以降低电路的复杂度，提升可靠性，电容CX1及CX2与差模电感构成的∏型滤波器可以有效抑制差模干扰。图2中除了共模电感以外，电容CY1及CY2也对共模干扰也有良好的弱化效果，在低频时，共模滤波的抑制主要由电感器起作用，在高频时，电容CY1及CY2作为共模滤波器而起到抑制共模干扰的作用，电容CY1和CY2接于电源线和地线之间，承受的电压较高，因此，需要选择高耐压、低漏电流特性的器件，通常根据实际应用的具体参数选定电容CY1和CY2。对于差模干扰，通常使用低通滤波元件构成差模干扰抑制器，2根电源线之间接1只滤波电容是输入滤波电路的最简形式（如图2中电容CX1），电容的选取要考虑电源工作频率、干扰成分频率、耐压等综合因素，尽可能滤除干扰频率而保留有效分量，通常选取高频干扰阻抗低的电容，故对于电源线间的高频干扰相当于短路，难以通过，对于电源线间工频信号，由于频率为50Hz，属于低频分量，故阻抗很高，相当于开路，所以对工频信号传输影响较小，电容的耐压值要满足包括电压冲击在内的线路可能出现最大电压等级，为避免电容储能放电而引起的冲击危害，CX电容容量一般在0.01～0.1μF之间，不宜过大，总之，通过选取有效参数的电容，就能对高频干扰起到抑制作用[9]。

2.3使用屏蔽降低电磁敏感设备的敏感性

用电阻率低的金属材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的复合材料对磁场进行屏蔽，从而屏蔽辐射，是抑制辐射噪声的根本方法之一。在实际工程应用中，使用具有金属屏蔽层的连接线和电源线，是阻断外部空间辐射电磁干扰耦合的常用方法之一，可以有效提升对于外部干扰的抑制能力，使用磁环、磁珠和单点接地的PCB布局等方法也可有效提升电源及信号线的抗干扰能力，开关电源外壳对器件可以起到支撑和防护作用，如采用低电阻率材料，也可以对电磁辐射干扰起到很好的防护作用，从而产生事半功倍的作用，由于干扰通常为高频分量，所以外壳的对对接缝要相对严密，缝处的焊接等处理应满足EMC规定的抗扰度屏蔽能力，通过上述措施的融合运用，可以有效提升开关电源抵抗外部电磁环境干扰能力，也可弱化对外部电子设备产生的干扰，但要注意，由于开关电源本身为高频器件，其采样和控制信号同样也未高频，一定要使有效信号频率位于滤波器通带之内，才能保证有效信号不会受到EMC元件的干扰[10]。

3应用通用电路模拟和PSPlCE仿真

3.1二阶无源电磁抑制滤波器干扰抑制效果

将二阶无源电磁抑制滤波器串入开关电源输出端接，利用示波器采样，观测滤波器输入、输出信号的变化，开关电源输出经过EMI滤波器后，电压信号幅值几乎没有衰减，而高频的尖峰干扰被弱化，几乎完全滤除，二阶无源电磁抑制滤波器抑制效果图如图3。3.2共模与差模传导干扰信号的抑制效果分析利用Pspice电压探头通过Lisn可以很容易的分离共模、差模信号，在通用电路分析软件中，利用加权、相关处理算法分离出的共模噪声低于30dBμV，差模噪声低于50dBμV，可见对噪声具有明显的抑制作用。共模和差模噪声的抑制效果图如图4。

3.3寄生参数影响的抑制效果

理想的EMI滤波器元器件均采用纯电容纯电感，实际使用情况下存在高频寄生参数，对高频寄生参数的抑制作用仿真效果如图5，干扰大于1MHz的干扰，采取本文抑制措施后，对干扰的抑制作用明显。

4结语

提出的基于EMI滤波器的开关电源抑制方法，可有效弱化开关电源输出端的尖峰干扰，抑制了传导性噪声干扰，并应用到传感器的设计中，提高了传感器在煤矿等复杂环境下的可靠性，同时在工程应用中发现对供电线路的浪涌、瞬变脉冲群干扰也有良好的抑制效果，整体提升了煤矿用传感器的抗EMC干扰能力。

参考文献：

［1］孟进，马伟明．带整流桥输入级的开关电源差模干扰特性［J］．电工技术学报，2006，21（8）：14－18．

［2］吕玉祥，刘宏林．多功能低功耗甲烷浓度检测仪的设计与应用［J］．中北大学学报，2006，27（3）：268－271．

［3］林引．矿用高可靠性本安型传感器电源电路设计与实现［J］．煤炭科学技术，2013，41（6）：88－91．

［4］和军平，陈为．开关电源共模传导干扰模型的研究［J］．中国电机工程学报，2005，25（8）：50－55．

［5］和军平，冯巨标．DC／DC开关电源对低压差分信号线干扰模型研究［J］．电机与控制学报，2014，18（9）：17－22．

［6］冯利民，谌平平．提高开关电源抗EFT／B干扰性能的研究［J］．电力系统自动化，2006，30（5）：78－82．

［7］周伟英，丘水生．开关电源电磁干扰抑制技术［J］．低压电器，2007（19）：45－52．

［8］闫海峰．开关电源电磁干扰机理及抑制措施探讨［J］．内蒙古石油化工，2012（2）：61－62．

［9］，何文忠．开关电源电磁干扰滤波器设计［J］．激光与红外，2007，37（1）：79－81．

［10］王威，徐抒岩，杨絮．抑制电磁干扰屏蔽技术的研究［J］．制造业自动化，2011，33（10）：71－75．

作者：梁博 刘春富 冯文彬 单位：煤炭科学研究总院 煤科集团沈阳研究院有限公司