家用電腦ＥＭＣ電源濾波器

摘要：本文指出了當前市面上家用電腦電源關于EMC方面不足的情況，并依據國家標準研制出一種新型的可以解決家用電腦電源EMI問題的無源濾波器。

關鍵詞：電腦；電源干擾；無源濾波器

中圖分類號：TN912 文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)06-1pppp-0c

1 電腦電源干擾分析

在我們的日常生活用電中，其實額定頻率為50HZ的市電并不是“純凈”。由于電網中存在著各種各樣的感性和容性負載，加上各類干擾脈沖，使得市電中夾雜著許多雜訊和雜波，特別是突發脈沖和高頻干擾。這就使得電源的工作環境十分惡劣，而眾所周知的是，計算機的抗干擾能力很差，特別是抗脈沖干擾的能力更差。如果沒有一個“純凈”的電源環境，那么電腦頻頻出錯和死機就是很常見的現象。此外電腦本身也是一個強大的干擾源，因為在電腦處理系統中，數模電路的混合使用，在工作時會產生各種頻率的電磁信號，形成一個較為惡劣的內部工作環境。

而且隨著我國電磁兼容要求的范圍進一步擴大，電腦的EMC要求已明確提出。本文正是針對以上情況，介紹了制作一種新型的電腦電源無源濾波器。其目的是為了不讓外界的干擾信號入侵干擾電腦的工作，也為了不讓工作時產生的電磁信號外泄污染電網。

1.1 電源電路分析

從市面上看，國內目前的計算機電腦電源有串聯調整式穩壓電源，脈沖調寬式開關穩壓電源（簡稱PWM）和不間斷電源（簡稱UPS）。而現在我們家用電腦所用的電腦電源幾乎都是脈沖調寬式開關電源。PWM電源的基本工作原理[1]如下：電網電壓經整流濾波后得到約300V左右的直流電壓，經晶體管調制后成為幅度為300V的高頻脈沖。經高頻變壓器變壓得到所需的電壓，然后再經整流濾波得到需要的直流電壓。輸出電壓的穩定則是依賴對脈沖寬度的改變來實現，這就叫做脈寬調制PWM。

在實際生產中，電路往往會根據實際需要而作出相應變化。現在電腦使用的符合ATX標準的電源幾乎都是采用半橋式功率轉換的經典電路。

無論在前兩個任何一個中，我們都可以看見電路中是有兩個地方是作為濾波之用的。一個是高壓濾波電路，另外一個是低壓濾波電路。高壓濾波電路的主要元件是兩個高壓濾波電容，其作用是將脈動的直流電濾除交流成分而輸出比較平穩的直流電。低壓濾波電路，主要濾除低壓電流（+5V、+12V等）中的雜波。所以其實兩者的用途是一樣的，一般都是大容量電容。在電容行業里它們都被稱為“平滑電容”，只是兩者的耐壓值不一樣。

1.2 電源干擾分析

如果只是按照以上的電路所生產出來的，而且這恰恰也是現在許多廠商為節省成本所做的一樣，往往都超過了EMC所要求的標準。因為電腦電源的干擾的原因[2]有以下幾個：

(1)混入電源網絡中的干擾

這種干擾，一般是由于其它大功率用電設備作用于電網而形成的一種干擾，主要是高頻干擾。

(2)電源變壓器的漏磁通干擾

泄漏于變壓器之外的漏磁通及分布電容的存在將向外界釋放電磁場，從而對其它電路形成干擾。

(3)整流電路的干擾

整流電路將交流電變為脈動直流之后，這種脈動直流本身是一種50HZ（單相半波）或100HZ(單相全波或橋式整流)以及它們的高次諧波疊加在一起的紋波干擾。

(4)穩壓電路的干擾

由于穩壓電路的使用，也就帶來了新的干擾因素。如果電路工作異常將可能產生自激振蕩，或者由于穩壓電路電壓不穩定，也可能對所供電路造成一種認為的干擾。

綜上所述，電腦電源系統的干擾包括電網的高頻干擾，變壓器的漏磁通干擾，紋波干擾以及穩壓電路的自激干擾。所以一般電腦電源的高壓、低壓濾波電路都只是針對紋波干擾進行濾波，那效果當然不好。因此本文以下部分將給出一種電腦電源干擾的解決方案。

2 電腦電源EMC解決方案

2.1 電源EMC分析

電磁兼容EMC是指在有限的空間、時間和頻譜范圍內，各種電氣設備共存而不引起性能的下降，它包括電磁騷擾（EMD）和電磁敏感（EMS）兩方面的內容。EMD是指電氣產品向外發出噪聲，EMS則是指電氣產品抵抗外來電磁騷擾的能力。

而電腦電源中的功率開關管在高頻下的通、斷過程產生大幅度的電壓和電流跳變，因而產生強大的電磁騷擾，但騷擾的頻率范圍（<30MHz）是比較低的。而且電腦電源的幾何尺寸遠小于30MHz電磁場對應的波長（空氣介質中約為10m），所以電腦電源系統研究的電磁騷擾現象屬于似穩場的范圍，研究它們的電磁騷擾問題時，主要考慮的是傳導騷擾[3]。

2.2 電源電磁騷擾的抑制

電腦電源EMC最主要是傳導騷擾，在眾多的抑制電源的EMD措施中，濾波是比較有效的辦法。把電源濾波器安裝在電源線與電子設備之間，不但可以用于抑制電源線引出的傳導騷擾，同時又可以降低從電網引入的傳導騷擾。而傳導騷擾又分差模干擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產生更大的輻射型EMD。目前抑制傳導EMD最有效的方法是利用無源濾波技術。

作為一種雙端口網絡EMD濾波器，它對騷擾的抑制性能不僅取決于濾波器本身的拓撲，而且在很大程度上也受EMD濾波器輸入、輸出阻抗值的影響。由于EMD濾波器阻抗和負載阻抗的可變動性以及它們可能直接與電網相連的特點，電源EMD濾波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了EMD濾波器設計不能完全應用成熟的通信用濾波器的設計方法和理論。所以現在EMD濾波器設計還是帶有比較強的實踐性。

而對于EMD濾波器設計具有技術依據的電磁兼容性國家標準是GB/T17618 1998《信息技術設備抗擾度限值和測量方法》。根據此標準，家用電腦是屬于信息技術設備B級，所以電腦電源EMC解決方案必須根據信息技術設備B級所提出的要求來進行，其中最主要的是應滿足標準規定的抗擾度極限值要求。以下是我依據GB/T17618，針對電腦電源傳導干擾，尋找EMC解決方案時所做的，并從中抽取幾個比較有對比意義的實驗圖。

圖1環境噪聲干擾電平

實驗分析：圖1為背景噪聲干擾，即當被測設備沒有接上單相人工模擬電源時所測得的干擾。由圖可見，環境噪聲電平與規定的限值之差少于6dB，即試驗場地能做到區分來自EUT的騷擾和環境噪聲，滿足測量條件。

圖2 電腦電源傳導干擾電平

實驗分析：圖2為電腦正常運行，CPU使用率為4%時的電源傳導干擾。圖中0。15MHz-1。0MHz頻段上的干擾主要為差模干擾；1.0MHz-10MHz頻段上的干擾為差模干擾和共模干擾的結合；10MHz-30MHz上的干擾主要為共模干擾。并且電腦電源傳導干擾主要在0.15MHz－16MHz。

圖3 電源傳導干擾（電源兩端并濾波電路后）

實驗分析：圖3為電源兩端并上3.3UF薄膜電容時的傳導干擾。由圖可見，并上單個電容對干擾的抑制效果不明顯，只對低頻部分干擾（即差模干擾）起到一定的吸收作用。

圖4 電源傳導干擾（電源兩端接上濾波電路后）

實驗分析：圖4為電源兩端接上初始磁導率為10000，用錳－鋅鐵氧體卷繞的共模電感和一對容量為0.0022uF的Y2電容后的傳導干擾。圖中明顯可見，1.4MHz-30MHz頻率段的干擾電平降到低于規定限值，即共模干擾得到抑制。

圖5 電源傳導干擾（電源兩端接上濾波電路后）

實驗分析：由圖5可見，電源傳導干擾電平在0.15MHz－30MHz整個頻段內都有明顯的下降，即該濾波電路對干擾起到了較好的抑制作用，但仍存在一定的超標數據。低頻部分干擾電平還比較高。3.2MHz上可能存在著諧振點。

圖6電源傳導干擾（電源兩端接上一個二級濾波電路后）

實驗分析：由圖6可見，該二級濾波電路對干擾起到較好的抑制作用。0.15MHz-30MHz整個頻段的干擾電平都低于標準限值，沒有一個超標數據。其中前級電感是由錳-鋅鐵氧體卷繞的，初始磁導率比較高，電感量高；而后級電感是由鎳-鋅鐵氧體卷繞的，高頻特性比較好。

圖7 電源傳導干擾（電源兩端接上一個二級濾波電路后）

實驗分析：由圖7可見，此為一個更優勝的解決方案。

圖8 電源傳導干擾（電源兩端接上一個二級濾波電路后）

實驗分析：由圖8可見，二級濾波電路為我們本次設計的最終解決方案。所以經過實驗所獲得的上述圖7是電腦電源濾波器最佳的方案：

0.82μF+0.1μF＋2X0.0047μF＋2X4.58 mH＋2X95μH

2.3 電源濾波器的元件參數

對于在上述電腦電源EMC解決方案，即 0.82μF +0.1μF＋2X0.0047μF＋2X4.58 mH＋2X95μH 。其所用的器件參數如下：

2.3.1 X2電容

2.3.2 Y2電容

2.3.3 L1電感

2.3.4 電阻

R=1MΩ/2W

3 EMC電源濾波器的特性

3.1 EMC電源濾波器的特性

3.1.1 使用溫度/OPERATING TEMPERATURE

電容在850C、1.4Un 50/60Hz條件下正常長期工作時．

The capacitors continue to work.(T=850C U=1.4Un)

3.1.2 技術標準

EN133200:1999;GB/T 15287-94;GB/T 15288-94

3.1.3 電壓連續耐久性/Endurance-voltage

在850C、1.75倍的Un和50/60Hz條件下， 97小時后容量變化不超過10%。

Under 850C 、1.75times Un and 50/60Hz.The capacitance change not more than 10% after 65hours.

過流，沖擊電壓Vtt=1000V。AC，沖擊83S無擊穿現象。

Withstand currentVtt=1000V。Ac 83S

3.1.5 可靠性/Reliability

累計工作3500個小時，電容組件失效率不超過100PPM，Under operating technology condition 。Fatality:≤100PPMwithin 3500hs。

4 技術參數推斷依據

4.1 連續耐久性

在850C、1.75倍的Un和50/60Hz條件下，65小時后容量變化不超過10%。

依據：

假設計算機工作壽命為五年，平均每天工作六個小時，總共工作時間為10950小時。由占空比為44%。則累計加在上面電壓的時間為4818小時。以1.75倍Un的電壓進行實驗時，由外推法，每實驗一小時，則相當正常工作50小時。故只需進行97小時的實驗，且其容量變化不超過10%。

4.2 電流沖擊耐久性

在CGE218L下過流，沖擊電壓Vtt=1000V。AC，沖擊60S無擊穿現象。

依據：

工作時間推斷同上，工作時間為7300，10950小時。每9秒沖擊一次，則沖擊的時間為438萬次。在工作時沖擊的主電壓為380V。AC。以CGE218L進行過流沖擊，沖擊電壓為1000V。AC ，由耐久性推斷得在此電壓沖擊一次，相當于正常工作沖擊的次數

N=(U/Un)^7.2=2.63^7.2=1056

T=4380000/1056≈4148

只要在此設備上沖擊4148次就等效于正常沖擊438萬次，設置設備每秒沖擊50次。則沖擊的時間為：t=4148/50≈83S

5 總結

自從我國加入世界貿易組織以來，我國的外貿活動就更加頻繁了。但是很多比較發達的國家，特別是歐盟，要求所有在歐盟市場銷售的電子電氣產品必須在其對其他產品的干擾性及對外來影響的抗干擾性方面嚴格符合歐盟法律要求。而電腦就包含在所規定的要求EMC合格的電子電氣產品之中。所以希望本文所提及的電腦電源EMC解決方案以及濾波器的制作，對我們國內生產電腦電源解決EMI問題有所幫助。

參考文獻：

[1]王會立.開關電源的電磁兼容設計.

收稿日期：2008-01-09