电源的干扰及其抑制技术ppt课件

4单片机测控系统的抗干扰技术 1 4 1电源的干扰及其抑制技术 供电系统的抗干扰 大功率设备 大感性负载 电网电压大幅度浪涌与下陷 过压 欠压和短时间的尖峰电压 稳压电源的抗干扰 直流电源 变压 整流 滤波 稳压 开关电源的抗干扰 2 一 供电系统干扰与抑制 供电系统干扰主要种类 电源线中的高频干扰供电电力线相当于一个接受天线 能把雷电 电弧 广播电台等辐射的高频干扰信号通过电源变压器初级耦合到次级 形成对单片机系统的干扰 感性负载产生的瞬变噪音切断大容量感性负载时 能产生很大的电流和电压变化率 从而形成瞬变噪音干扰 成为电磁干扰的主要形式 晶闸管通断时的干扰晶闸管通断时的电流变化率很大 使得晶闸管在导通瞬间流过一个具有高次谐波的大电流 在电源阻抗上产生很大的压降 从而使电网电压出现缺口 这种畸变了的电压波形含有高次谐波 可以向空间辐射或通过传导耦合 干扰其它设备 3 单片机系统的抗干扰供电配置 4 供电系统抗干扰措施 1 采用交流稳压器 交流稳压器用来保证供电的稳定性 防止电源系统的过电压与欠电压 有利于提高整个系统的可靠性 2 采用隔离变压器 考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初 次级线圈的互感耦合 而是由初 次级间寄生电容耦合造成的 因此 隔离变压器的初级和次级之间均用屏蔽层隔离 减少其分布电容 以提高抗共模干扰的能力 隔离变压器 5 一般变压器原 副绕组之间虽也有隔离电路的作用 但在频率较高的情况下 两绕组之间的电容仍会使两侧电路之间出现静电干扰 为避免这种干扰 隔离变压器的原 副绕组一般分置于不同的芯柱上 以减小两者之间的电容 也有采用原 副绕组同芯放置的 但在绕组之间加置静电屏蔽 以获得高的抗干扰特性 静电屏蔽就是在原 副绕组之间设置一片不闭合的铜片或非磁性导电纸 称为屏蔽层 铜片或非磁性导电纸用导线连接于外壳 有时为了取得更好的屏蔽效果 在整个变压器 还罩一个屏蔽外壳 对绕组的引出线端子也加屏蔽 以防止其他外来的电磁干扰 这样可使原 副绕组之间主要只剩磁的耦合 而其间的等值分布电容可小于0 01pF 从而大大减小原 副绕组间的电容电流 有效地抑制来自电源以及其他电路的各种干扰 6 7 3 采用分散独立功能块供电 在每块系统功能模块上用三端稳压集成块 如7805 7905 7812 7912等 组成稳压电源 每个功能块单独对电压过载进行保护 不会因某块稳压电源故障而使整个系统破坏 8 4 采用低通滤波器 由谐波频谱分析可知 电源系统的干扰源大部分是高次谐波 因此采用低通滤波器滤去高次谐波 以改善电源波形 在低压下 当滤波电路载有大电流时 宜采用小电感和大电容构成滤波网络 当滤波电路处于高电压下工作时 则应采用小电容和允许的最大电感构成的滤波网络 5 尽量提高接口器件的电源电压 提高接口的抗干扰能力 例如用光耦合器输出端驱动直流继电器 选用直流24V继电器比6V继电器效果好 9 二 稳压电源的抗干扰 1 采用低通滤波器 2 减小电源的输出阻抗 采用高质量的稳压电源 3 隔离变压器接入电网 4 应用系统的供电线路和产生干扰的用电设设备分开供电 5 整流组件上并接滤波电容 滤波电容选用1000pF 0 01 F的瓷片电容 接法参见图 10 11 6 集成电路块的VCC加旁路电容集成电路的开关高速动作时会产生噪声 因此无论电源装置提供的电压多么稳定 VCC和GND端也会产生噪声 为了降低集成电路的开关噪声 在印制线路板上的每一块IC上都接入高频特性好的旁路电容 将开关电流经过的线路局限在板内一个极小的范围内 旁路电容可用0 01 0 1 F的陶瓷电容器 旁路电容器的引线要短而且紧靠需要旁路的集成器件的VCC或GND端 否则会毫无意义 12 三 开关电源的抗干扰 1 开关电源噪声产生的机理 来源于两部分 1 来自外部干扰源的噪声 2 来自开关电源本省内部电路的噪声外部干扰源为电网工业设备和无线电发射引起的噪声 开关电源本身的噪声干扰可分为尖峰脉冲干扰和谐波干扰两种 13 直流开关电源是一种脉宽调制型电源 由于脉冲频率高达20kHZ 所以甩掉了传统的工频变压器 具有体积小 重量轻 效率高 70 电网电压范围大 20 10 220V 电网电压变化时不会输出过电压或欠电压 输出电压保持时间长等优点 开关电源初 次级之间具有较好的隔离 对于交流电网上的高频脉冲干扰有较强的隔离能力 现在已有许多直流开关电源产品 一般都有几个独立的电源 如 5V 12V 24V等 14 15 2 开关管工作时产生的谐波干扰 功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流 例如桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波 其中含有丰富的高次谐波分量 当采用零电流 零电压开关时 这种谐波干扰将会很小 另外 功率开关管在截止期间 高频变压器绕组漏感引起的电流突变 也会产生尖峰干扰 16 3 二极管的反向恢复时间引起的干扰 高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过 在其受反偏电压而转向截止时 由于PN结中有较多的载流子积累 因而在载流子消失之前的一段时间里 电流会反向流动 致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化 di dt 17 4 交流输入回路产生的干扰 无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰 开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量 通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称之为传导干扰 而谐波和寄生振荡的能量 通过输入输出线传播时 都会在空间产生电场和磁场 这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰 18 5 开关电源干扰的抑制 1 浪涌的抑制瞬态抑制二极管 TVS 又叫钳位型二极管 它的主要特点是在反向应用条件下 当承受一个高能量的大脉冲时 其工作阻抗立即降至极低的导通值 从而允许大电流通过 同时把电压钳制在预定水平 其响应时间仅为10 12毫秒 因此可有效地保护电子线路中的精密元器件 19 2 滤波技术 滤波是抑制传导干扰的有效方法 在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用 EMI滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元 可以抑制来自电网的干扰对电源本身的侵害 也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰 在滤波电路中 还采用很多专用的滤波元件 如穿心电容器 三端电容器 铁氧体磁环 它们能够改善电路的滤波特性 恰当地设计或选择滤波器 并正确地安装和使用滤波器 是抗干扰技术的重要组成部分 20 3 屏蔽技术 采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰 即用电导率良好的材料对电场进行屏蔽 用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽 屏蔽有两个目的 一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出 二是防止外来的辐射干扰进入该内部区域 其原理是利用屏蔽体对电磁能量的反射 吸收和引导作用 为了抑制开关电源产生的辐射 电磁干扰对其他电子设备的影响 可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩 然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体 就能对电磁场进行有效的屏蔽 21 4 调制频率控制 调制频率 ModulateFrequency 控制是通过将开关信号的能量调制分布在一个很宽的频带上 产生一系列的分立边频带 则干扰频谱可以展开 干扰能量被分成小份分布在这些分立频段上 从而实现了对开关电源电磁干扰的抑制 其主要原理是 将主开关频率进行调制 在主频带周围产生一系列的边频带 从而将噪声能量分布在很宽的频带上 降低了干扰 这种控制方法的关键是对频率进行调制 使开关能量分布在边频的范围 且幅值受调制系数 的影响 调制系数 f fm f为相邻边频带间隔 fm为调制频率 一般 越大调制效果越好 22 5 无源缓冲电路控制 开关变换器中电磁干扰是在开关管开关时刻产生的 以整流二极管为例 在开通时 其导通电流不仅引起大量的开通损耗 还产生很大的di dt 导致电磁干扰 而在关断时 其两端的电压快速升高 有很大的dv dt 从而产生电磁干扰 缓冲电路不仅可以抑制开通时的dv dt 限制关断时的dv dt 还具有电路简单 成本较低的特点 因而得到了广泛应用 但是传统的缓冲电路中往往采用有源辅助开关 电路复杂不易控制 并有可能导致更高的电压或电流应力 降低了可 性 因此许多新的无源缓冲器应运而生 23 本节小结 电源的干扰及其抑制供电系统的抗干扰稳压电源的抗干扰开关电源的抗干扰 24