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0 引 言
随着我国工业、农业、现代国防工业的高速发展,各种含有智能模块的元件在高低压设备中得到广泛应用。尤其应用于工业非线性负荷的智能型万能式断路器(ACB) 、智能型塑料外壳式断路器(MCCB)等各类嵌入单片机、DSP的智能电器,其传感器信号为毫伏至伏级,但要求在各种非线性、冲击性和各种谐波、不平衡性条件等电磁干扰下可靠工作,在这种恶劣条件下运行。如何排除各种电磁干扰、提高智能电器的可靠性、可用性、可维护性是智能电器设计者们不可推卸的重任。
排除各种电磁干扰一般可采用“吸收、滤波、屏蔽、隔离”等措施[ 1 ] ,但尽量把干扰信号排除在信号输入端是事半功倍的设计,即利用硬件滤波器来实现初级滤波。
1 硬件滤波
1. 1 电源滤波处理
利用电磁原理进行硬件电路滤波是抗EMC干扰的有效方法。
现在对电子设备中来自电源的传导噪声和电子设备发生的辐射噪声的要求越来越严格,所以对含电子产品的噪声特性进行测定的必要性增加了。由于电源噪声的混入已经成为首要问题,特别在使用CPU的数字设备中,交流电源产生的噪声会使设备产生误动作,所以在对含电子的产品测定中都首指电源噪声。而在各种各样的电源器件中,电源变压器由于其自身独有的如下特点,在低压断路器,特别是ACB中广泛应用:
(1) 能够传输功率但同时也是一个隔离器;
(2) 可靠性高,长期稳定性好;
(3) 频率范围宽;
(4) 振幅的动态范围宽;
(5) 可以自由地进行阻抗变换;
(6) 产生的噪声小。
电源噪声的混入由变压器的参数规格所决定。最近,高频开关电源由于体积小、重量轻、效率高,因而被大部分设备电源所采用。但是,在处理微弱信号的设备电源中,更多采用抗交流电源噪声混入能力强、电源自身噪声小的商业频率的电源变压器+降压型电源。
电源变压器最重要的基本性能是出于安全考虑的耐压性、绝缘电阻、温升、电压变动率等。这里仅讨论对处理微弱信号更为重要的有关噪声的问题。如图1所示的电源电路是利用变压器的屏蔽层接大地,可有效阻断共模噪声。
由于电源变压器初级2次级之间是绝缘的,故也就具有阻断共模噪声的功能。发挥这种作用的方法就是静电屏蔽。静电屏蔽不会将来自交流电源的共模噪声传输到次级一侧,而是返回到初级的接地端。如果静电屏蔽的连接发生错误,那么相反的噪声电流就会流入信号源。这样就会通过导线的阻抗变换为差模噪声(噪声串联加到信号上)电压,导致正好相反的结果。所以,设计者在线路板布线时,对电源变压器实施静电屏蔽时的连线非常重要,屏蔽层应接入大地而不是与次级端地连接在一起,即直接返回噪声源的接地点。
静电屏蔽是为断开初级2次级间的浮游电容而插入的,它的插入应该包围初级线圈部分,使初级线圈与次级线圈之间不产生直接的浮游电容。
但是在使用中即使使用静电屏蔽状态良好的电源变压器,若初级一侧的布线与次级一侧的布线靠的很近,效果也可能大打折扣。特别是开关电源的布线,稍不注意就很容易靠近次级一侧。静电屏蔽仅对阻断共模噪声有效,对差模噪声不起作用。
对差模噪声,若变压器输入、输出端各并接几微法的电容器,与变压器的泄漏电感形成三阶型LC滤波器,就能衰减正模噪声。但是,这种方法有效的频率范围仅在10 kHz～1 MHz的频带间。在电源变压器设计时如保持适度的泄漏电感,利用对高频特性的衰减,使差模噪声也被衰减掉。
对共模干扰也可采用如下有效措施:在交流电源变压器输入端电源线左右分开,集中在铁氧体磁环两端分别穿绕4～8圈,组成一个共模扼流圈,原理图如图1所示,这也是一种抑制高频、雷击浪涌干扰的有效方法。理论上由于将输入线同方向穿绕在铁氧体上,这样,当差模电流流过穿绕在共模铁氧体铁芯的两根输入导线时,在铁芯中产生的磁通大小相等,方向向反,相互抵消,故差模电流不产生磁通,这就意味着不产生电感。但实际中并非完全没有产生差模电感,当一个线圈中发生磁通时,没有耦合到另一绕线中的磁通尽管小却是存在的,即泄漏电感。该泄漏电感与电源变压器自身的初级浮游电容、初级线圈的泄漏电感组成二阶LC滤波电路,所以,这种利用铁芯绕制方法对差模噪声也起到了抑制作用。图1中,当共模噪声流过穿绕在共模铁氧体铁芯的两根输入导线时,由于铁芯中产生的磁通方向相同,故产生电感。也即这种利用铁芯绕制方法对共模噪声电流产生阻抗,故减少了噪声电流。阻抗为2πfL ,故噪声频率越高,共模的阻抗越大,共模噪声衰减量当然也就越大。如在实际使用中成功地通过了GB /T 17626. 4 快速瞬变脉冲群、GB /T 17626. 5抗浪涌抗扰度[ 2 ]试验等试验。
1. 2 放大电路中滤波处理
处理模拟信号时ADC是必不可少的。在使用ADC对模拟信号进行量化处理,即数字化时,若信号中含有多次谐波成份而硬件电路及软件又不进行滤波处理时,ADC就会采集到不同的频率成份,从而发生量误差,导致控制器不能正确保护负载正常工作。断路器的特性保护就是依赖于传感器的输出信号,像ACB中的电流取样为毫伏至伏级电压信号,当传感器检测到的信号较弱,在传送传感器信号的过程中又会有噪声混入时,就很难判断信号与噪声,噪声会使信号值飘动,信号准确度下降,这就要求在信号进入ADC之前必须进行滤波处理。若能够干净地除去混入的噪声成份,只保留信号频率成份,配合高分辨率ADC就能进行高精度地处理所获得的信号,故选择一种合适的滤波放大电路尤为重要。
放大器可选择带通滤波放大、低通滤波放大、R 2C组成的双T选频放大、差动放大。滤波器的带宽越窄,除去噪声的能力就越强。但是,信号有急剧变化时滤波器的输出达到稳定状态所需要的时间也变长。下面以带通滤波放大器和低通滤波放大器为例,比较说明在设计中的应用。带通滤波放大器中心频率为50 Hz,其频带较窄,抗谐波干扰能力较强,但其响应速度较低通滤波放大慢,只能在一般只有显示要求或处理实时性不高的场合使用,如用在实时性高的控制电路中就不能满足要求了,例如在ACB或MCCB中有线路短路瞬时处理控制时,就要求输入波形与输出波形尽量保持同步,在放大器固有的延时时间不能改变的情况下,就需恰当地选择滤波电路。图2为一种典型的二阶多重反馈型带通滤波放大器电路
