家用电脑EMC电源滤波器

摘要：本文指出了当前市面上家用电脑电源关于EMC方面不足的情况，并依据国家标准研制出一种新型的可以解决家用电脑电源EMI问题的无源滤波器。

关键词：电脑；电源干扰；无源滤波器

中图分类号：TN912 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)06-1pppp-0c

1 电脑电源干扰分析

在我们的日常生活用电中，其实额定频率为50HZ的市电并不是“纯净”。由于电网中存在着各种各样的感性和容性负载，加上各类干扰脉冲，使得市电中夹杂着许多杂讯和杂波，特别是突发脉冲和高频干扰。这就使得电源的工作环境十分恶劣，而众所周知的是，计算机的抗干扰能力很差，特别是抗脉冲干扰的能力更差。如果没有一个“纯净”的电源环境，那么电脑频频出错和死机就是很常见的现象。此外电脑本身也是一个强大的干扰源，因为在电脑处理系统中，数模电路的混合使用，在工作时会产生各种频率的电磁信号，形成一个较为恶劣的内部工作环境。

而且随着我国电磁兼容要求的范围进一步扩大，电脑的EMC要求已明确提出。本文正是针对以上情况，介绍了制作一种新型的电脑电源无源滤波器。其目的是为了不让外界的干扰信号入侵干扰电脑的工作，也为了不让工作时产生的电磁信号外泄污染电网。

1.1 电源电路分析

从市面上看，国内目前的计算机电脑电源有串联调整式稳压电源，脉冲调宽式开关稳压电源（简称PWM）和不间断电源（简称UPS）。而现在我们家用电脑所用的电脑电源几乎都是脉冲调宽式开关电源。PWM电源的基本工作原理[1]如下：电网电压经整流滤波后得到约300V左右的直流电压，经晶体管调制后成为幅度为300V的高频脉冲。经高频变压器变压得到所需的电压，然后再经整流滤波得到需要的直流电压。输出电压的稳定则是依赖对脉冲宽度的改变来实现，这就叫做脉宽调制PWM。

在实际生产中，电路往往会根据实际需要而作出相应变化。现在电脑使用的符合ATX标准的电源几乎都是采用半桥式功率转换的经典电路。

无论在前两个任何一个中，我们都可以看见电路中是有两个地方是作为滤波之用的。一个是高压滤波电路，另外一个是低压滤波电路。高压滤波电路的主要元件是两个高压滤波电容，其作用是将脉动的直流电滤除交流成分而输出比较平稳的直流电。低压滤波电路，主要滤除低压电流（+5V、+12V等）中的杂波。所以其实两者的用途是一样的，一般都是大容量电容。在电容行业里它们都被称为“平滑电容”，只是两者的耐压值不一样。

1.2 电源干扰分析

如果只是按照以上的电路所生产出来的，而且这恰恰也是现在许多厂商为节省成本所做的一样，往往都超过了EMC所要求的标准。因为电脑电源的干扰的原因[2]有以下几个：

(1)混入电源网络中的干扰

这种干扰，一般是由于其它大功率用电设备作用于电网而形成的一种干扰，主要是高频干扰。

(2)电源变压器的漏磁通干扰

泄漏于变压器之外的漏磁通及分布电容的存在将向外界释放电磁场，从而对其它电路形成干扰。

(3)整流电路的干扰

整流电路将交流电变为脉动直流之后，这种脉动直流本身是一种50HZ（单相半波）或100HZ(单相全波或桥式整流)以及它们的高次谐波叠加在一起的纹波干扰。

(4)稳压电路的干扰

由于稳压电路的使用，也就带来了新的干扰因素。如果电路工作异常将可能产生自激振荡，或者由于稳压电路电压不稳定，也可能对所供电路造成一种认为的干扰。

综上所述，电脑电源系统的干扰包括电网的高频干扰，变压器的漏磁通干扰，纹波干扰以及稳压电路的自激干扰。所以一般电脑电源的高压、低压滤波电路都只是针对纹波干扰进行滤波，那效果当然不好。因此本文以下部分将给出一种电脑电源干扰的解决方案。

2 电脑电源EMC解决方案

2.1 电源EMC分析

电磁兼容EMC是指在有限的空间、时间和频谱范围内，各种电气设备共存而不引起性能的下降，它包括电磁骚扰（EMD）和电磁敏感（EMS）两方面的内容。EMD是指电气产品向外发出噪声，EMS则是指电气产品抵抗外来电磁骚扰的能力。

而电脑电源中的功率开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，因而产生强大的电磁骚扰，但骚扰的频率范围（

2.2 电源电磁骚扰的抑制

电脑电源EMC最主要是传导骚扰，在众多的抑制电源的EMD措施中，滤波是比较有效的办法。把电源滤波器安装在电源线与电子设备之间，不但可以用于抑制电源线引出的传导骚扰，同时又可以降低从电网引入的传导骚扰。而传导骚扰又分差模干扰和共模干扰两种。通常共模骚扰要比差模骚扰产生更大的辐射型EMD。目前抑制传导EMD最有效的方法是利用无源滤波技术。

作为一种双端口网络EMD滤波器，它对骚扰的抑制性能不仅取决于滤波器本身的拓扑，而且在很大程度上也受EMD滤波器输入、输出阻抗值的影响。由于EMD滤波器阻抗和负载阻抗的可变动性以及它们可能直接与电网相连的特点，电源EMD滤波器的输入、输出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。这就造成了EMD滤波器设计不能完全应用成熟的通信用滤波器的设计方法和理论。所以现在EMD滤波器设计还是带有比较强的实践性。

而对于EMD滤波器设计具有技术依据的电磁兼容性国家标准是GB/T17618 1998《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》。根据此标准，家用电脑是属于信息技术设备B级，所以电脑电源EMC解决方案必须根据信息技术设备B级所提出的要求来进行，其中最主要的是应满足标准规定的抗扰度极限值要求。以下是我依据GB/T17618，针对电脑电源传导干扰，寻找EMC解决方案时所做的，并从中抽取几个比较有对比意义的实验图。

图1环境噪声干扰电平

实验分析：图1为背景噪声干扰，即当被测设备没有接上单相人工模拟电源时所测得的干扰。由图可见，环境噪声电平与规定的限值之差少于6dB，即试验场地能做到区分来自EUT的骚扰和环境噪声，满足测量条件。

图2 电脑电源传导干扰电平

实验分析：图2为电脑正常运行，CPU使用率为4%时的电源传导干扰。图中0。15MHz-1。0MHz频段上的干扰主要为差模干扰；1.0MHz-10MHz频段上的干扰为差模干扰和共模干扰的结合；10MHz-30MHz上的干扰主要为共模干扰。并且电脑电源传导干扰主要在0.15MHz－16MHz。

图3 电源传导干扰（电源两端并滤波电路后）

实验分析：图3为电源两端并上3.3UF薄膜电容时的传导干扰。由图可见，并上单个电容对干扰的抑制效果不明显，只对低频部分干扰（即差模干扰）起到一定的吸收作用。

图4 电源传导干扰（电源两端接上滤波电路后）

实验分析：图4为电源两端接上初始磁导率为10000，用锰－锌铁氧体卷绕的共模电感和一对容量为0.0022uF的Y2电容后的传导干扰。图中明显可见，1.4MHz-30MHz频率段的干扰电平降到低于规定限值，即共模干扰得到抑制。

图5 电源传导干扰（电源两端接上滤波电路后）

实验分析：由图5可见，电源传导干扰电平在0.15MHz－30MHz整个频段内都有明显的下降，即该滤波电路对干扰起到了较好的抑制作用，但仍存在一定的超标数据。低频部分干扰电平还比较高。3.2MHz上可能存在着谐振点。

图6电源传导干扰（电源两端接上一个二级滤波电路后）

实验分析：由图6可见，该二级滤波电路对干扰起到较好的抑制作用。0.15MHz-30MHz整个频段的干扰电平都低于标准限值，没有一个超标数据。其中前级电感是由锰-锌铁氧体卷绕的，初始磁导率比较高，电感量高；而后级电感是由镍-锌铁氧体卷绕的，高频特性比较好。

图7 电源传导干扰（电源两端接上一个二级滤波电路后）

实验分析：由图7可见，此为一个更优胜的解决方案。

图8 电源传导干扰（电源两端接上一个二级滤波电路后）

实验分析：由图8可见，二级滤波电路为我们本次设计的最终解决方案。所以经过实验所获得的上述图7是电脑电源滤波器最佳的方案：

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

2.3 电源滤波器的元件参数

对于在上述电脑电源EMC解决方案，即 0.82μF +0.1μF＋2X0.0047μF＋2X4.58 mH＋2X95μH 。其所用的器件参数如下：

2.3.1 X2电容

2.3.2 Y2电容

2.3.3 L1电感

2.3.4 电阻

R=1MΩ/2W

3 EMC电源滤波器的特性

3.1 EMC电源滤波器的特性

3.1.1 使用温度/OPERATING TEMPERATURE

电容在850C、1.4Un 50/60Hz条件下正常长期工作时．

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

3.1.2 技术标准

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

3.1.3 电压连续耐久性/Endurance-voltage

在850C、1.75倍的Un和50/60Hz条件下， 97小时后容量变化不超过10%。

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

过流，冲击电压Vtt=1000V。AC，冲击83S无击穿现象。

Withstand currentVtt=1000V。Ac 83S

3.1.5 可靠性/Reliability

累计工作3500个小时，电容组件失效率不超过100PPM,Under operating technology condition 。Fatality:≤100PPMwithin 3500hs。

4 技术参数推断依据

4.1 连续耐久性

在850C、1.75倍的Un和50/60Hz条件下，65小时后容量变化不超过10%。

依据：

假设计算机工作寿命为五年，平均每天工作六个小时，总共工作时间为10950小时。由占空比为44%。则累计加在上面电压的时间为4818小时。以1.75倍Un的电压进行实验时，由外推法，每实验一小时，则相当正常工作50小时。故只需进行97小时的实验，且其容量变化不超过10%。

4.2 电流冲击耐久性

在CGE218L下过流，冲击电压Vtt=1000V。AC，冲击60S无击穿现象。

依据：

工作时间推断同上，工作时间为7300，10950小时。每9秒冲击一次，则冲击的时间为438万次。在工作时冲击的主电压为380V。AC。以CGE218L进行过流冲击，冲击电压为1000V。AC ，由耐久性推断得在此电压冲击一次，相当于正常工作冲击的次数

N=(U/Un)7.2=2.637.2=1056

T=4380000/1056≈4148

只要在此设备上冲击4148次就等效于正常冲击438万次，设置设备每秒冲击50次。则冲击的时间为：t=4148/50≈83S

5 总结

自从我国加入世界贸易组织以来，我国的外贸活动就更加频繁了。但是很多比较发达的国家，特别是欧盟，要求所有在欧盟市场销售的电子电气产品必须在其对其他产品的干扰性及对外来影响的抗干扰性方面严格符合欧盟法律要求。而电脑就包含在所规定的要求EMC合格的电子电气产品之中。所以希望本文所提及的电脑电源EMC解决方案以及滤波器的制作，对我们国内生产电脑电源解决EMI问题有所帮助。

参考文献：

[1]王会立.开关电源的电磁兼容设计.

收稿日期：2008-01-09