设备对电源的电磁兼容性要求分析

时间：2022-12-28作者：北京华威盛达科技有限公司浏览：73

摘要：电源是比较**的电磁干扰源，需要对电源提出合适的电磁兼容性能要求。本文对一次电源和二次电源的电磁辐射和传导干扰进行指标分析，可作为电源设计的参考。

关键词：设备电源  电磁兼容性

1、引言

电源是电子电气设备不可缺少的触源，也是较强的电磁干扰源，然而发现对电源提出电磁兼容性指标要求的依据比较缺乏，需要在各个标准中选取相关内容，并且要求与电子电气设备的需求相匹配。

一般电源分为一次电源和二次电源，一次电源可以是交流电源，也可以是直流电源，是通过其它形式能源转换过来的；二次电源是变换器，可通过AC-DC、DC-AC、DC-DC变换为可供电子电气线路直接使用的电源，二次电源可以是独立的设备，也可以与电子电气线路制成一体，此时二次电源是设备的组成部分。

一次电源是独立的电气设备，由于其能量较大，离电子设备较远，虽然电磁辐射不是主要干扰源，但它的传导干扰却是不可忽视的。

二次电源的品种较多、数量大，有时可占电子设备的1/3~1/4，二次电源及相应电子线路可在供电线上产生传导干扰，直接影响传导发射（CE）指标。

2、一次电源的电磁兼容性指标分析

一次电源例如机动电站、不间断（UPS）电站等，它们电源能量大，有较强电磁干扰，只是由于电源离其它设备较远，因此主要以供电线内的传导干扰为主。

2.1  一次电源电磁辐射干扰分析

专门用于电站的电磁兼容指标的相关标准较少，只有GJB151-86标准中有油机发电机，不间断供电及移动式电站有相关电磁兼容指标，但该标准被GJB151A-97标准替代后，新标准中未涉及电站的电磁兼容性指标要求。根据相关规定，没有作废的提法，因此需要时还可以引用。

电站的辐射发射可参照GJB151标准，其界限值曲线在25MHz以下，比一般设备辐射发射高30dB左右，80MHz以上与一般设备相近，这个曲线形状与高压的间隙放电的电磁干扰很相近。

在GJB151标准中电站的电磁敏感度为5V/m~10V/m，这数值与GB/T17626.3的电磁场抗扰度相当。由于电站属于强电设备，一般都能满足电磁辐射敏感度要求。

2.2  一次电源的传导干扰分析

一次电源的传导发射可对二次电源造成干扰。

（1）频谱传导干扰

二次电源（包括二次电源的负载设备）对传导干扰的敏感度CS101的曲线如图1所示。




以**28V曲线为例，在25Hz~5kHz频率范围，电磁干扰电平为136dBμV，即6.3V，而大于5kHz曲线下降的斜率为-20dB/十倍频程。

根据GJ181A飞机供电特提供的交流电压较大畸变频谱如图2所示。




从图中可以看出，在1kHz~3kHz频率范围，畸变干扰电压为3.16V，大于3kHz曲线下降的斜率为-20dB/十倍频程。
很显然，一次电源传导发射的电平满足图2要求，就能保二次电源（包括电源负载）有6dB的电磁兼容安全裕度。

图2曲线是400Hz一次电源的畸变频谱，如果是50Hz电源，建议把图2的100Hz~1kHz频率范围用10d（即3.16V）水平直线替代，也能保50Hz一次电源对二次电源的CS101也有6dB的安全裕度。

工程实践发现，用电气电子技术的电源，其谐波量往往不满足图2曲线要求，需要采用功率因数校正（PFC）技术和谐波抑制技术，对频率**5kHz的传导干扰才可以采用电源滤波器。

（2）瞬态传导干扰


根据GJB151A标准中CS106电源尖峰信号敏感度要求，二次电源（包括二次电源的负载）能经受幅度达100V~400V，脉冲宽度为5μs~10μs的尖峰信号干扰，要求设备能正常工作。

而根据GJB181A飞机供电特性和GJB1389A系统电磁兼容性要求，一次电源的瞬态小于50μS的尖峰干扰的幅度为额定电压有效值的±50%。

如果额定电压有效值为220V，那么一次电源允许尖峰干扰值为110V。

由上述分析认为一次电源的尖峰干扰幅度值与二次电源瞬态尖峰干扰的敏感度还是匹配的。

（3）电压跌落和浪涌的影响分析

由于负载的通断引起供电电压的波动，瞬态波形大约为70ms~80ms，通常称为浪涌，向下浪涌就是电压跌落。

由于供电负载**过正常允许范围所产生的电压波动称为欠压和过压，它不是正常供电状态，只是在特殊状态下使用。

由GJ181A飞机供电特性标准可知，正常浪涌可达+56%~ -30%，因为正常浪涌的时间很短，一般在二次电源内有滤波电容起到贮能作用，浪涌对电子电气设备影响不大。

而欠压和**压持续的时间可达数十秒，例如电机启动或大负载短期工作，此时过低或过高电压可引起设备工作异常，需要对电网进行改进设计，例如用小功率不间断电源（UPS）保持对电子设备正常供电；此外现在设计的二次开关电源，可达到50Hz和400Hz电网通用，在欠压达30%时还能提供正常输出电压。

（4）三相不平衡和谐波（畸变）量的影响分析

三相稳态交流电压和矢量差，形成了三相不平衡电压，一般要求三相不平衡电压小于3V（当负载不平衡时可达10V）。

电流非正弦的谐波量与基波分量之均方根之比称为谐波量（畸变系数），一般要求总谐波量小于5%~8%（特殊要求不**过10%）。

三相不平衡电压和谐波量均可引起中线电流，当中线接地时，零线电流可引起电磁干扰，严重时可产生故障。
为了避免零线电流引起干扰，有的设备一次电源采用三相三线制，例如舰船供电就是如此。

此外，为了减少谐波量，还要求二次电源变换器电路不采用可控硅，以便好抑制谐波量。

3、二次电源电磁兼容性指标分析

二次电源如开关电源、线性稳压电源和逆变电源等是较强电磁干扰源。

3.1  二次电源的辐射电磁干扰分析

二次电源的射频干扰从几十千赫到几百兆赫，所以需要进行电磁屏蔽，现在有些**电源模块的外壳作成散热片形式，其壳体可以认为是电磁屏蔽体，有利于抑制电源的辐射干扰。

由于二次电源的功率不算小，电源内部运行的电流也较大，一般都有较高抗辐射干扰能力，当电源能满足辐射发射指标要求时，辐射敏感度指标都能达到要求。

3.2  二次电源的传导电磁干扰分析

二次电源有两组端口，即二次电源的输入端口和二次电源的输出端口，每个端口都有传导发射和传导敏感度要求，由于二次电源输入端口的传导敏感度CS101前文已阐述，下文主要阐述输出端口的传导电磁干扰。

（1）二次电源输出端口的传导敏感度分析

二次电源输出端口的电磁兼容性没有相关标准，但在工程上确有其要求。

一般认为二次电源负载的传导发射对二次电源的敏感度影响不大，然而负载端的电流倒灌可引起二次电源输出端电压提升，这是由于半导体器件要求电源品种的多样性，导致较高电压的电源通过半导体器件向较低电压的电源倒灌，可引起较低电压电源的过压保护。

一般在较低电压的电源输出端加导流电阻，可以使倒灌电流流向该电阻，可起到克服倒灌引起过压保护作用。

（2）二次电源输出端的传导发射

二次电源输出端有较大的电磁干扰电平，它是由电源变换过程和电源线路轻微自激引起的，这些电磁干扰对模拟电路和数字电路的影响有较大差别。

a．模拟电路对二次电源传导发射的要求对电子电气设备而言，二次电源就是供电网，或任何其它设备抑制从其供电网来的传导干扰的程度称为抗电网干扰系数，IEC的TC-18标准建议抗电网干扰系数M≥70dB，如果供电电压为12V，那么要求直流的纹波（电磁干扰）为7mV（有效值），一般选择线性电源。

A/D变换器的电源纹波与变换器的位数有关供电电压为5V的A/D变换器，十二位的分辨率为1.22mV。

b．数字电路对电源传导发射的要求

数字电路的直流噪声容限有一定要求，例如TTL逻辑电路的容限限值为400mV。
如果电磁兼容安全裕度取6dB，那么电源的纹波（电磁干扰）为200mV。
如果电磁兼容安全裕度取16.5dB，则电源的纹波要求为60mV。
通常为了测量方便常采用峰之值，即电磁干扰电平为120mV~400mV，典型的电磁干扰峰峰值取70mV~150mV。

4、结束语

综上所述，电源的电磁兼容性指标要求是重要的指标要求项目内容，但由于电源的特殊性，一些指标被融合在性能特性中，需要从中提炼。此外，由上述分析可知，电源的传导电磁干扰比辐射电磁干扰为**，相关设计师应给予充分重视，需采取相应措施，减少对电子电气线路的影响。


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